JP7549002B2 - Nitride-based bidirectional switching device and method of manufacture thereof - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物系半導体装置に関する。より具体的には、本発明はバッテリー保護制御器と共に稼働する状態に適合させるためのデュアルゲートトランジスタを備えている窒化物系双方向スイッチング装置に関する。 The present invention relates to nitride-based semiconductor devices. More specifically, the present invention relates to a nitride-based bidirectional switching device having a dual gate transistor adapted for operation with a battery protection controller.
近年、高電子移動度トランジスタ(high-electron-mobility transistors、 HEMTs)に対する精力的な研究が非常に盛んに行われており、特にハイパワースイッチング及び高周波の応用面では顕著である。III族窒化物系HEMTは異なるバンドギャップを有している2種類の材料の間にあるヘテロ接合界面により量子井戸様構造(quantum well-like structure)を形成し、これにより二次元電子ガス(two-dimensional electron gas、 2DEG)領域を収容し、高パワー/周波数装置の要求を満たしている。HEMT以外、ヘテロ構造を有している装置の例として、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(heterojunction bipolar transistors、 HBT)、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(heterojunction field effect transistor、 HFET)及び変調ドープFET(modulation-doped FETs、 MODFET)を更に含む。現在、HMET装置の歩留まりを高めて、大規模生産に適合させることが求められている。 In recent years, high-electron-mobility transistors (HEMTs) have been the focus of intense research, especially in high-power switching and high-frequency applications. III-nitride HEMTs use a heterojunction interface between two materials with different bandgaps to form a quantum well-like structure that contains a two-dimensional electron gas (2DEG) region to meet the requirements of high-power/frequency devices. In addition to HEMTs, other examples of devices with heterostructures include heterojunction bipolar transistors (HBTs), heterojunction field effect transistors (HFETs), and modulation-doped FETs (MODFETs). There is currently a need to increase the yield of HMET devices to make them suitable for large-scale manufacturing.
本発明の一態様によれば、窒化物系半導体装置を提供する。窒化物系双方向スイッチング装置はバッテリー保護制御器と共に稼働するために用いられている。バッテリー保護制御器は、電源入力端子と、過電流放電保護(discharge over-current protection、 DO)端子と、過電流充電保護(charge over-current protection、 CO)端子と、電圧監視(voltage monitoring、 VM)端子と、接地端子と、を有している。窒化物系双方向スイッチング装置は、窒化物系活性層と、窒化物系バリア層と、複数のスペーサー層と、デュアルゲートトランジスタと、を含む。窒化物系活性層は基板上に設置されている。窒化物系バリア層は窒化物系活性層上に設置され、且つこれが有しているバンドギャップは窒化物系活性層のバンドギャップよりも大きい。スペーサー層は窒化物系バリア層の上に設置され、且つ第一スペーサー層及び第一スペーサー層の上に位置している第二スペーサー層を少なくとも備えている。デュアルゲートトランジスタは第一及び第二ソース電極並びに第一及び第二ゲート構造を備えている。第一及び第二ソース電極は複数のスペーサー層上に設置されている。第一ソース電極はバッテリー保護制御器の接地端子に電気的に接続されるように配置されている。第二ソース電極は電圧監視抵抗器を介して制御器のVM端子に接続されるように配置されている。第一及び第二ゲート構造は窒化物系バリア層上に設置されていると共に第一及び第二ソース電極の間に横設されている。第一ゲート構造は第一ゲート電極を含み、第一ゲート電極はバッテリー保護制御器のDO端子に電気的に接続されるように配置されている。第二ゲート構造は第二ゲート電極を備え、第二ゲート電極はバッテリー保護制御器のCO端子に電気的に接続されるように配置されている。 According to one aspect of the present invention, a nitride-based semiconductor device is provided. The nitride-based bidirectional switching device is used to operate with a battery protection controller. The battery protection controller has a power input terminal, a discharge over-current protection (DO) terminal, a charge over-current protection (CO) terminal, a voltage monitoring (VM) terminal, and a ground terminal. The nitride-based bidirectional switching device includes a nitride-based active layer, a nitride-based barrier layer, a plurality of spacer layers, and a dual-gate transistor. The nitride-based active layer is disposed on a substrate. The nitride-based barrier layer is disposed on the nitride-based active layer and has a band gap larger than the band gap of the nitride-based active layer. The spacer layer is disposed on the nitride-based barrier layer and includes at least a first spacer layer and a second spacer layer located on the first spacer layer. The dual-gate transistor includes first and second source electrodes and first and second gate structures. The first and second source electrodes are disposed on the plurality of spacer layers. The first source electrode is arranged to be electrically connected to a ground terminal of the battery protection controller. The second source electrode is arranged to be connected to a VM terminal of the controller through a voltage monitoring resistor. First and second gate structures are disposed on the nitride-based barrier layer and are disposed between the first and second source electrodes. The first gate structure includes a first gate electrode, the first gate electrode arranged to be electrically connected to a DO terminal of the battery protection controller. The second gate structure includes a second gate electrode, the second gate electrode arranged to be electrically connected to a CO terminal of the battery protection controller.
本発明の一態様によれば、窒化物系双方向スイッチング装置の製造方法を提供する。この方法は以下のステップを含む。基板上方に窒化物系活性層を形成する。窒化物系活性層上に窒化物系バリア層を形成し、窒化物系バリア層が有しているバンドギャップは窒化物系活性層のバンドギャップより大きい。窒化物系バリア層上方に第一及び第二ゲート電極を形成する。第二窒化物系半導体層上に第一不動態層を形成し、第一及び第二ゲート電極を被覆する。第一不動態層上に下部ブランケットフィールドプレートを形成する。ウェットエッチングプロセスにより、下部ブランケットフィールドプレートに対しパターン化を行い、第一及び第二ゲート電極上方に第一及び第二下部フィールドプレートをそれぞれ形成する。第一不動態層上に第二不動態層を形成して第一及び第二下部フィールドプレートを被覆する。第二不動態層上に上部ブランケットフィールドプレートを形成する。ドライエッチングプロセスにより、上部ブランケットフィールドプレートに対しパターン化を行い、第一及び第二下部フィールドプレート上方に第一及び第二上部フィールドプレートをそれぞれ形成する。 According to one aspect of the present invention, a method for fabricating a nitride-based bidirectional switching device is provided. The method includes the steps of: forming a nitride-based active layer above a substrate; forming a nitride-based barrier layer on the nitride-based active layer, the nitride-based barrier layer having a band gap larger than the band gap of the nitride-based active layer; forming first and second gate electrodes above the nitride-based barrier layer; forming a first passivation layer on the second nitride-based semiconductor layer to cover the first and second gate electrodes; forming a lower blanket field plate on the first passivation layer; patterning the lower blanket field plate by a wet etching process to form first and second lower field plates above the first and second gate electrodes, respectively; forming a second passivation layer on the first passivation layer to cover the first and second lower field plates; forming an upper blanket field plate on the second passivation layer; patterning the upper blanket field plate by a dry etching process to form first and second upper field plates above the first and second lower field plates, respectively.
本発明の一態様によれば、窒化物系半導体装置を提供する。窒化物系双方向スイッチング装置はバッテリー保護制御器と共に稼働するために用いられている。バッテリー保護制御器は電源入力端子と、過電流放電保護(discharge over-current protection、 DO)端子と、過電流充電保護(charge over-current protection、 CO)端子と、電圧監視(voltage monitoring、 VM)端子と、接地端子と、を有している。窒化物系双方向スイッチング装置は窒化物系活性層と、窒化物系バリア層と、デュアルゲートトランジスタと、を備えている。窒化物系バリア層は窒化物系活性層上に設置され、且つ窒化物系バリア層が有しているバンドギャップは窒化物系活性層のバンドギャップより大きい。デュアルゲートトランジスタは第一ソース電極と、第二ソース電極と、第一ゲート電極と、第二ゲート電極と、第一下部フィールドプレートと、第二下部フィールドプレートと、第一上部フィールドプレートと、第二上部フィールドプレートと、を含む。第一ソース電極はバッテリー保護制御器の接地端子に電気的に接続されている。第二ソース電極は電圧監視抵抗器を介して制御器のVM端子に接続されるように配置されている。第一ゲート電極はバッテリー保護制御器のDO端子に電気的に接続されるように配置されている。第二ゲート電極はバッテリー保護制御器のCO端子に電気的に接続されるように配置されている。第一下部フィールドプレートは第一ゲート電極上方に設置されている。第二下部フィールドプレートは第二ゲート電極上に設置されている。第一上部フィールドプレートは第一下部フィールドプレート上方に設置されている。第二上部フィールドプレートは第二下部フィールドプレート上方に設置されている。第一上部フィールドプレートから第二上部フィールドプレートまでの距離は第一下部フィールドプレートから第二下部フィールドプレートまでの距離より短い。 According to one aspect of the present invention, a nitride-based semiconductor device is provided. The nitride-based bidirectional switching device is adapted to operate with a battery protection controller. The battery protection controller has a power input terminal, a discharge over-current protection (DO) terminal, a charge over-current protection (CO) terminal, a voltage monitoring (VM) terminal, and a ground terminal. The nitride-based bidirectional switching device includes a nitride-based active layer, a nitride-based barrier layer, and a dual-gate transistor. The nitride-based barrier layer is disposed on the nitride-based active layer, and the nitride-based barrier layer has a band gap larger than the band gap of the nitride-based active layer. The dual-gate transistor includes a first source electrode, a second source electrode, a first gate electrode, a second gate electrode, a first lower field plate, a second lower field plate, a first upper field plate, and a second upper field plate. The first source electrode is electrically connected to the ground terminal of the battery protection controller. The second source electrode is arranged to be connected to the VM terminal of the controller via a voltage monitoring resistor. The first gate electrode is disposed so as to be electrically connected to the DO terminal of the battery protection controller. The second gate electrode is disposed so as to be electrically connected to the CO terminal of the battery protection controller. The first lower field plate is disposed above the first gate electrode. The second lower field plate is disposed above the second gate electrode. The first upper field plate is disposed above the first lower field plate. The second upper field plate is disposed above the second lower field plate. The distance from the first upper field plate to the second upper field plate is less than the distance from the first lower field plate to the second lower field plate.
よって、第一上部フィールドプレートから第二上部フィールドプレートまでの距離は第一下部フィールドプレートから第二下部フィールドプレートまでの距離より短い。フィールドプレートを配置することにより耐電圧を高める要素としている。双方向スイッチング装置がターンオフ状態となると、複数のゲート構造の間にある領域に破壊が発生するかどうかはそれがある位置の電界の分布に関連する。これは複数のゲート構造の間に他の導電素子が形成されていないため、フィールドプレートの配置及びターンオフ状態の制御状況に高い相関関係があるためである。本発明のフィールドプレートの配置によりターンオフ状態が安定することにより、窒化物系双方向スイッチング装置がバッテリー保護制御器と共に良好に稼働する。 Therefore, the distance from the first upper field plate to the second upper field plate is shorter than the distance from the first lower field plate to the second lower field plate. The arrangement of the field plates is an element that increases the withstand voltage. When the bidirectional switching device is turned off, whether or not breakdown occurs in the region between the multiple gate structures is related to the distribution of the electric field at the position where it is located. This is because there is a high correlation between the arrangement of the field plates and the control situation of the turn-off state, since no other conductive elements are formed between the multiple gate structures. The arrangement of the field plates of the present invention stabilizes the turn-off state, allowing the nitride-based bidirectional switching device to operate well together with the battery protection controller.
添付図面を結合して参照すると、以下の具体的な実施形態から本開示の各性質を容易に理解できる。各特徴は比率に基づいて描写しているわけではない点に留意すべきである。実際には、本開示を明確にするため、各特徴のサイズは任意で増減できる。下記明細書中では図面を参照して更に詳しく本発明の実施例を説明する。 The nature of the present disclosure can be readily understood from the following specific embodiments when taken in conjunction with the accompanying drawings. It should be noted that the features are not drawn to scale. In fact, the size of the features may be arbitrarily increased or decreased to better illustrate the present disclosure. The following description will further describe the embodiments of the present invention in more detail with reference to the drawings.
図1は本発明の幾つかの実施例に係るバッテリー保護制御器と共に稼動する窒化物系双方向スイッチング装置を示す回路図である。
図2は本発明の幾つかの実施例に係る窒化物系双方向スイッチング装置を示す等価回路図である。
図3Aは本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す配置図である。
図3Bと図3Cは図3A中の双方向スイッチング装置の線I-I'及び線II-II'に沿う横断面図である。
図4Aは図3Cに示す区域を示す拡大図である。
図4Bは図3Cに示す区域を示す拡大図である。
図5は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図6は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図7は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図8は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図9は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図10は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図11は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図12は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図13は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図14は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置を示す横断面図である。
図15A乃至図15Lは本発明の幾つかの実施例に係る半導体装置の製造方法を示す異なる工程図である。
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a nitride based bidirectional switching device operating in conjunction with a battery protection controller according to some embodiments of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram illustrating a nitride based bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
3B and 3C are cross-sectional views of the bidirectional switching device taken along lines II' and II' in FIG. 3A.
FIG. 4A is an enlarged view of the area shown in FIG. 3C.
FIG. 4B is an enlarged view of the area shown in FIG. 3C.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device according to some embodiments of the present invention.
15A to 15L are diagrams showing different steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to some embodiments of the present invention.
本明細書を添付した図面及び詳細説明において、同一または相似する部件には同一符号を付して表示する。以下の添付図面を結合した詳細な説明により、本開示の内容の実施形態を容易に理解できる。 In the drawings and detailed description accompanying this specification, identical or similar parts are denoted by the same reference numerals. The detailed description combined with the accompanying drawings below will allow easy understanding of embodiments of the contents of this disclosure.
空間の説明において、例えば「上」、「上方」、「下」、「上向き」、「左側」、「右側」、「下方」、「上部」、「底部」、「縦方向」、「横方向」、「一側」、「高い」、「低い」、「上寄り」、「の上」、「の下」等の用語は、ある部材または部材で構成されているグループのある平面に対し定義するものであり、部材の方位は対応する図に示す。ちなみに、ここで使用する空間の描写は説明のために用いるにすぎず、ここで説明する構造は実務上の実施においてあらゆる方向または方式で空間中に設置可能であり、この前提により、本発明の内容の実施形態の利点がこのような設置により偏ることはない。 In describing the space, terms such as "top", "upper", "down", "upward", "left", "right", "lower", "top", "bottom", "longitudinal", "horizontal", "one side", "high", "low", "upwards", "above", "under" and the like are defined with respect to a certain plane of a certain component or a group of components, and the orientation of the components is shown in the corresponding figures. Incidentally, the depiction of space used herein is for illustrative purposes only, and the structures described herein can be installed in space in any direction or manner in practical implementation, and on this premise the advantages of the embodiments of the subject matter of the present invention are not prejudiced by such installation.
また、ここで留意すべき点は、矩形に近似するように描かれている各種構造の実際の形状については、装置の製造条件により、湾曲していたり、円形の辺縁を有していたり、僅かに不均一な厚さを有している等する点である。本発明の内容において、直線及び直角を使用した描写は層体及び技術的特徴を示すために用いているに過ぎない。 It should also be noted that the actual shapes of the various structures depicted as approximations of rectangles may be curved, have circular edges, have slightly non-uniform thickness, etc., depending on the manufacturing conditions of the device. In the context of this invention, the use of straight lines and right angles is used only to illustrate layers and technical features.
以下の説明において、半導体装置/ダイ/パッケージ及びそれらの製造方法等を優先的な実例とする。当業者ならば、本発明の範囲及び精神を逸脱せずに添加及び/または代替を含む改修が可能であることが容易に理解できる。本発明が不明確にならないようにするため、特定の細部を省略することができる。然しながら、本発明の内容は当業者が過度な実験を行わずに本発明の内容の教示を実現出来るようにしている。 In the following description, semiconductor devices/dies/packages and their manufacturing methods are given as preferred examples. Those skilled in the art can easily understand that modifications, including additions and/or substitutions, are possible without departing from the scope and spirit of the present invention. Certain details may be omitted so as not to obscure the present invention. However, the contents of the present invention enable those skilled in the art to realize the teachings of the contents of the present invention without undue experimentation.
図1は本発明の幾つかの実施例に係るバッテリー保護制御器10と共に稼動する窒化物系双方向スイッチング装置Q1を示す回路図である。図2は本発明の幾つかの実施例に係る窒化物系双方向スイッチング装置Q1を示す等価回路図である。バッテリー12がバッテリー保護制御器10に電気的に接続されている。キャパシタC1及び抵抗器R1はバッテリー12及びバッテリー保護制御器10の間に接続可能であり、その間の信号を変調する。充電器14は回路中に電気的に接続可能である。抵抗器R2は充電器14及びバッテリー保護制御器10の間に接続可能であり、その間の信号を変調する。窒化物系双方向スイッチング装置Q1はバッテリー保護制御器10に電気的に接続されている。 Figure 1 is a circuit diagram showing a nitride-based bidirectional switching device Q1 operating with a battery protection controller 10 according to some embodiments of the present invention. Figure 2 is an equivalent circuit diagram showing a nitride-based bidirectional switching device Q1 according to some embodiments of the present invention. A battery 12 is electrically connected to the battery protection controller 10. A capacitor C1 and a resistor R1 can be connected between the battery 12 and the battery protection controller 10 to modulate a signal therebetween. A charger 14 can be electrically connected in the circuit. A resistor R2 can be connected between the charger 14 and the battery protection controller 10 to modulate a signal therebetween. The nitride-based bidirectional switching device Q1 is electrically connected to the battery protection controller 10.
窒化物系双方向スイッチング装置Q1は回路中で双方向ターンオン及び双方向ターンオフ機能を提供するように配置されている。充電操作過程では、電流が充電器14の正極P+からバッテリー12の正極B+に向けて流れる。放電操作過程では、電流がバッテリー12の正極B+から負荷16に向けて流れる。 The nitride-based bidirectional switching device Q1 is arranged in the circuit to provide bidirectional turn-on and bidirectional turn-off functions. During a charging operation, current flows from the positive terminal P+ of the charger 14 to the positive terminal B+ of the battery 12. During a discharging operation, current flows from the positive terminal B+ of the battery 12 to the load 16.
バッテリー保護制御器10は、電源入力端子Vccと、接地端子Vssと、過電流放電保護端子DOと、過電流充電保護端子COと、電圧監視端子VMと、を有している。2つの出力ポート、過電流放電保護端子DO及び過電流充電保護端子COを有しているため、特定のスイッチのより充電操作及び放電操作を制御する必要がある。 The battery protection controller 10 has a power input terminal Vcc, a ground terminal Vss, an overcurrent discharge protection terminal DO, an overcurrent charge protection terminal CO, and a voltage monitoring terminal VM. Since it has two output ports, the overcurrent discharge protection terminal DO and the overcurrent charge protection terminal CO, it is necessary to control the charging and discharging operations using specific switches.
双方向スイッチング装置Q1はソース電極S1及びS2並びにゲート電極G1及びG2を有している。ソース電極S1はバッテリー保護制御器10の接地端子Vssに電気的に接続されるように配置されている。ソース電極S2は抵抗器R2を介してバッテリー保護制御器10の電圧監視端子VMに接続されるように配置されている。抵抗器R2は電圧監視抵抗器としている。ゲート電極G1はバッテリー保護制御器10の過電流放電保護端子DOに電気的に接続されるように配置されている。ゲート電極G2はバッテリー保護制御器10の過電流充電保護端子COに電気的に接続されるように配置されている。 The bidirectional switching device Q1 has source electrodes S1 and S2 and gate electrodes G1 and G2. The source electrode S1 is arranged to be electrically connected to the ground terminal Vss of the battery protection controller 10. The source electrode S2 is arranged to be connected to the voltage monitoring terminal VM of the battery protection controller 10 via a resistor R2. The resistor R2 serves as a voltage monitoring resistor. The gate electrode G1 is arranged to be electrically connected to the overcurrent discharge protection terminal DO of the battery protection controller 10. The gate electrode G2 is arranged to be electrically connected to the overcurrent charge protection terminal CO of the battery protection controller 10.
図2を参照すると、双方向スイッチング装置Q1はデュアルゲートトランジスタを備えている。デュアルゲートトランジスタは直列接続されている1対の窒化物系トランジスタ素子M1及びM2により実現している。窒化物系トランジスタ素子M1はソース電極S1及びゲート電極G1を備えている。窒化物系トランジスタ素子M2はソース電極S2及びゲート電極G2を備えている。 Referring to FIG. 2, the bidirectional switching device Q1 includes a dual-gate transistor. The dual-gate transistor is realized by a pair of nitride-based transistor elements M1 and M2 connected in series. The nitride-based transistor element M1 includes a source electrode S1 and a gate electrode G1. The nitride-based transistor element M2 includes a source electrode S2 and a gate electrode G2.
ゲート電極G1及びG2のうちの何れか1つが切断される条件において、対応する窒化物系トランジスタM1またはM2がターンオフとなることにより、充電操作または放電操作を終了することができる。この状態において、双方向スイッチング装置Q1がそのうちの少なくとも1つのターンオフトランジスタ素子を備えることにより、耐圧構造とする。双方向スイッチング装置Q1が提供する耐圧程度は双方向スイッチング装置Q1の性能によって決まる。 When one of the gate electrodes G1 and G2 is disconnected, the corresponding nitride-based transistor M1 or M2 is turned off, thereby terminating the charging or discharging operation. In this state, the bidirectional switching device Q1 has a voltage-resistant structure by including at least one of the turn-off transistor elements. The level of voltage resistance provided by the bidirectional switching device Q1 is determined by the performance of the bidirectional switching device Q1.
一例を挙げると、双方向スイッチング装置が十分な耐電圧を提供する状況において、この装置に終端接続して行う充電操作または放電操作がスムーズになる。然しながら、双方向スイッチング装置が提供する耐電圧(withstand voltage)が低い場合、この装置に終端接続して行う充電操作または放電操作が失敗する可能性がある。この点について、低い耐電圧は双方向スイッチング装置中の破壊に起因する可能性がある。 For example, in a situation where a bidirectional switching device provides sufficient withstand voltage, charging or discharging operations performed by terminating to the device are smooth. However, if the withstand voltage provided by the bidirectional switching device is low, charging or discharging operations performed by terminating to the device may fail. In this regard, a low withstand voltage may be due to breakdown in the bidirectional switching device.
また、充電操作または放電操作を実行する際に、双方向スイッチング装置Q1が低い電圧降下を実現する。その原因の1つは、窒化物系トランジスタ素子M1及びM2が低い導通状態抵抗を有することをできるためである。低い電圧降下により負荷16が予め設計した稼働状態となる。本発明は改善した耐電圧を有している双方向スイッチング装置を提供し、回路中のバッテリー保護制御器と結合して適切に稼働させる。 In addition, the bidirectional switching device Q1 achieves a low voltage drop when performing a charging or discharging operation. One of the reasons for this is that the nitride-based transistor elements M1 and M2 can have a low on-state resistance. The low voltage drop allows the load 16 to operate in a pre-designed operating state. The present invention provides a bidirectional switching device with improved voltage resistance that can be combined with a battery protection controller in the circuit to operate properly.
図3Aは本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Aを示す配置図である。配置図は双方向スイッチング装置1Aのゲート電極264及び284、フィールドプレート122及び124、並びにソース電極30及び32の間の関係を示す。これらの部材は双方向スイッチング装置1A中のデュアルゲートトランジスタを構成している。この図の配置は双方向スイッチング装置1Aの上面図を反映し、即ち、この配置は、ゲート電極264及び284、フィールドプレート122、123、124及び125、ソース電極30及び32が層方式で形成され、これらの層に垂直になる方向に沿って観察したものを反映している。以下、双方向スイッチング装置1Aの更に多くの構造の仔細を提供する。 FIG. 3A is a layout diagram showing a bidirectional switching device 1A according to some embodiments of the present invention. The layout diagram shows the relationship between the gate electrodes 264 and 284, the field plates 122 and 124, and the source electrodes 30 and 32 of the bidirectional switching device 1A. These components constitute a dual-gate transistor in the bidirectional switching device 1A. The layout in this figure reflects a top view of the bidirectional switching device 1A, i.e., the layout reflects the gate electrodes 264 and 284, the field plates 122, 123, 124 and 125, and the source electrodes 30 and 32 are formed in a layered manner and viewed along a direction perpendicular to these layers. Further structural details of the bidirectional switching device 1A are provided below.
図3B及び図3Cは図3A中の双方向スイッチング装置1Aの線I-I'及び線II-II'に沿う横断面図である。双方向スイッチング装置1Aは基板20と、窒化物系半導体層22及び24と、ゲート構造26及び28と、スペーサー層116、118、120、130、132と、ビア134、136、138、140、142と、パターン化導電層144、146と、保護層148と、を更に備えている。 Figures 3B and 3C are cross-sectional views of the bidirectional switching device 1A in Figure 3A taken along lines I-I' and II-II'. The bidirectional switching device 1A further comprises a substrate 20, nitride-based semiconductor layers 22 and 24, gate structures 26 and 28, spacer layers 116, 118, 120, 130, 132, vias 134, 136, 138, 140, 142, patterned conductive layers 144, 146, and a protective layer 148.
基板20は半導体基板でもよい。基板20の例示材料としては、例えば、ケイ素(Si)、シリコンゲルマニウム(SiGe)、炭化ケイ素(SiC)、ヒ化ガリウム、pドープSi、nドープSi、サファイア、semiconductor on insulator(例えば、SOI (silicon on insulator、 SOI))、或いは他の適合する基板材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施例において、基板102は、例えば、第3族元素、第4族元素、第5族元素、或いはそれらの組合せ(例えば、III-V族化合物)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。他の実施例では、基板20が、例えば1つまたは複数の他の特徴が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、ドープ領域(doped region)、埋込層(buried layer)、エピタキシャル層(epitaxial (epi) layer )或いはそれらの組み合わせを含む。 Substrate 20 may be a semiconductor substrate. Exemplary materials for substrate 20 include, but are not limited to, silicon (Si), silicon germanium (SiGe), silicon carbide (SiC), gallium arsenide, p-doped Si, n-doped Si, sapphire, semiconductor on insulator (e.g., SOI), or other suitable substrate materials. In some embodiments, substrate 102 may include, but is not limited to, a Group 3 element, a Group 4 element, a Group 5 element, or combinations thereof (e.g., III-V compounds). In other embodiments, substrate 20 may include, but is not limited to, one or more other features, such as, but not limited to, a doped region, a buried layer, an epitaxial (epi) layer, or combinations thereof.
窒化物系半導体層22は基板20上に設置されている。窒化物系半導体層22の例示材料としては、例えば、窒化物またはIII-V族化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、InxAlyGa(1-x-y)N(ここでは、x+y≦1)、AlyGa(1-y)N(ここでは、y≦1)を含む。窒化物系半導体層24は窒化物系半導体層22上に設置されている。窒化物系半導体層24の例示材料として、窒化物またはIII-V族化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、 InxAlyGa(1-x-y)N(ここでは、x+y≦1)、AlyGa(1-y)N(ここでは、y≦1)を含む。 The nitride-based semiconductor layer 22 is disposed on the substrate 20. Exemplary materials for the nitride-based semiconductor layer 22 include, but are not limited to, nitrides or III-V compounds. Examples include gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), In x Al y Ga (1-xy) N (where x+y≦1), and Al y Ga (1-y) N (where y≦1). The nitride-based semiconductor layer 24 is disposed on the nitride-based semiconductor layer 22. Exemplary materials for the nitride-based semiconductor layer 24 include, but are not limited to, nitrides or III-V compounds. Examples include gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), In x Al y Ga (1-xy) N (where x+y≦1), and Al y Ga (1-y) N (where y≦1).
窒化物系半導体層22及び24の例示材料を選択し、窒化物系半導体層24のバンドギャップ(即ち、禁制帯幅(forbidden band width))を窒化物系半導体層22のバンドギャップより大きくすることにより、これらの電子親和力を互いに相違するようにし、且つこれらの間にヘテロ接合(heterojunction)を形成する。例えば、窒化物系半導体層22が約3.4evのバンドギャップを有している未ドープ窒化ガリウム層である場合、窒化物系半導体層24として約4.0evのバンドギャップを有している窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)層を選択可能である。よって、窒化物系半導体層22及び24はそれぞれチャンネル層(channel layer)及びバリア層(barrier layer)とすることができる。チャンネル層及びバリア層の間の結合界面箇所に三角井戸が発生し、電子が三角井戸中に蓄積することにより、ヘテロ接合に隣接する二次元電子ガス(two-dimensional electron gas、 2DEG)領域が発生する。よって、双方向スイッチング装置1Aが少なくとも1つの窒化ガリウム系(GaN-based)の高電子移動度トランジスタ(high-electron-mobility transistor、 HEMT)を含む。 By selecting the exemplary materials of the nitride-based semiconductor layers 22 and 24 and making the band gap (i.e., forbidden band width) of the nitride-based semiconductor layer 24 larger than the band gap of the nitride-based semiconductor layer 22, their electron affinities are made different from each other, and a heterojunction is formed between them. For example, when the nitride-based semiconductor layer 22 is an undoped gallium nitride layer having a band gap of about 3.4 ev, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer having a band gap of about 4.0 ev can be selected as the nitride-based semiconductor layer 24. Thus, the nitride-based semiconductor layers 22 and 24 can be a channel layer and a barrier layer, respectively. A triangular well is generated at the bonding interface between the channel layer and the barrier layer, and electrons are accumulated in the triangular well, generating a two-dimensional electron gas (2DEG) region adjacent to the heterojunction. Thus, the bidirectional switching device 1A includes at least one gallium nitride-based (GaN-based) high-electron-mobility transistor (HEMT).
幾つかの実施例において、双方向スイッチング装置1Aはバッファ層、核生成層、或いはそれらの組み合わせ(図示省略)を更に備えている。バッファ層は基板20と窒化物系半導体層22との間に設置されている。バッファ層は基板20と窒化物系半導体層22との間の格子及び熱的不整合を減少させるように配置され、これにより不整合(mismatches)/差異(difference)により引き起こされた欠陥を修復する。バッファ層はIII-V族化合物を含む。III-V族化合物として、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素、またはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。よって、バッファ層の例示材料として、例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)、窒化アルミニウムインジウムガリウム(InAlGaN)、或いはそれらの組み合わせを更に含むが、これらに限定されるものではない。基板20とバッファ層との間に核生成層を形成してもよい。核生成層は基板20とバッファ層のIII族窒化物層との間の不整合/差異に適合するように変遷するように配置されている。核生成層の例示材料としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)またはそのあらゆる合金が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 In some embodiments, the bidirectional switching device 1A further comprises a buffer layer, a nucleation layer, or a combination thereof (not shown). The buffer layer is disposed between the substrate 20 and the nitride-based semiconductor layer 22. The buffer layer is arranged to reduce lattice and thermal mismatch between the substrate 20 and the nitride-based semiconductor layer 22, thereby repairing defects caused by the mismatches/differences. The buffer layer includes a III-V compound. III-V compounds include, but are not limited to, aluminum, gallium, indium, nitrogen, or combinations thereof. Thus, exemplary materials for the buffer layer further include, but are not limited to, gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), aluminum gallium nitride (AlGaN), aluminum indium gallium nitride (InAlGaN), or combinations thereof. A nucleation layer may be formed between the substrate 20 and the buffer layer. The nucleation layer is arranged to transition to accommodate the mismatch/difference between the substrate 20 and the III-nitride layer of the buffer layer. Exemplary materials for the nucleation layer include, but are not limited to, aluminum nitride (AlN) or any alloy thereof.
ゲート構造26は窒化物系半導体層24上/上方/の上に設置されている。ゲート構造26は図3Aで描かれているpドープIII-V族化合物半導体層262及びゲート電極264を備えてもよい。pドープIII-V族化合物半導体層262及びゲート電極264は窒化物系半導体層24上に積層されている。pドープIII-V族化合物半導体層262は窒化物系半導体層24とゲート電極264との間に位置している。幾つかの実施例において、ゲート構造26はpドープIII-V族化合物半導体層262とゲート電極264との間に選択可能な誘電層(図示省略)を更に備えてもよい。 The gate structure 26 is disposed on/above/above the nitride-based semiconductor layer 24. The gate structure 26 may include a p-doped III-V compound semiconductor layer 262 and a gate electrode 264, as depicted in FIG. 3A. The p-doped III-V compound semiconductor layer 262 and the gate electrode 264 are stacked on the nitride-based semiconductor layer 24. The p-doped III-V compound semiconductor layer 262 is located between the nitride-based semiconductor layer 24 and the gate electrode 264. In some embodiments, the gate structure 26 may further include an optional dielectric layer (not shown) between the p-doped III-V compound semiconductor layer 262 and the gate electrode 264.
ゲート構造28は窒化物系半導体層24上/上方/の上に設置されている。ゲート構造28は選択可能なpドープIII-V族化合物半導体層282及び図3Aで描かれているゲート電極284を備えている。ゲート構造26の配置はゲート構造28に応用可能である。 Gate structure 28 is disposed on/above/on top of nitride-based semiconductor layer 24. Gate structure 28 includes an optional p-doped III-V compound semiconductor layer 282 and a gate electrode 284 as depicted in FIG. 3A. The layout of gate structure 26 is applicable to gate structure 28.
本実施例の例示説明において、双方向スイッチング装置1Aはエンハンスモード装置(enhancement mode device)であり、ゲート電極264及び284に約ゼロバイアス(zero bias)が印加されると、ノーマリーオフ状態(normally-off state)となる。具体的には、pドープIII-V族化合物半導体層262及び282が窒化物系半導体層24と共に少なくとも1つのp-n接合を形成して2DEG領域を消耗させ、対応するゲート構造26及び28の下方の位置に対応する2DEG領域の少なくとも1つの区域が2DEG領域の残りの部分とは異なる特性(例えば、異なる電子濃度)を有しているため、ブロックされる。 In the illustrative embodiment, the bidirectional switching device 1A is an enhancement mode device that is in a normally-off state when approximately zero bias is applied to the gate electrodes 264 and 284. Specifically, the p-doped III-V compound semiconductor layers 262 and 282 form at least one p-n junction with the nitride-based semiconductor layer 24 to deplete the 2DEG region, and at least one area of the 2DEG region corresponding to a location below the corresponding gate structure 26 and 28 is blocked because it has different properties (e.g., different electron concentration) than the remainder of the 2DEG region.
このようなメカニズムにより、双方向スイッチング装置1Aがノーマリーオフ特性(normally-off characteristic)を有している。換言すれば、ゲート電極264及び284に電圧が印加されていない場合、または、ゲート電極264及び284に印加された電圧が閾値電圧(即ち、ゲート構造26及び28下方に反転層を形成するのに必要な最小電圧)より低い場合、ゲート構造26または28下方にある2DEG領域の区域がブロックされた状態に保持され、これにより電流が流れなくなっている。また、pドープIII-V族化合物半導体層262及び282を提供することにより、ゲートの漏電が減少し、且つオフ状態過程における閾値電圧が増加する。 This mechanism gives the bidirectional switching device 1A a normally-off characteristic. In other words, when no voltage is applied to the gate electrodes 264 and 284, or when the voltage applied to the gate electrodes 264 and 284 is less than the threshold voltage (i.e., the minimum voltage required to form an inversion layer under the gate structures 26 and 28), the area of the 2DEG region under the gate structures 26 or 28 remains blocked, thereby preventing current flow. Also, by providing the p-doped III-V compound semiconductor layers 262 and 282, the gate leakage is reduced and the threshold voltage during the off-state process is increased.
pドープIII-V族化合物半導体層262及び282の例示材料としては、例えば、pドープIII-V族窒化物半導体材料が挙げられるが、これに限定されるものではない。例えば、p型窒化ガリウム、p型窒化ガリウムアルミニウム、p型窒化インジウム、p型窒化アルミニウムインジウム、p型窒化インジウムガリウム、p型窒化アルミニウムインジウムガリウム、或いはそれらの組み合わせを含む。幾つかの実施例において、p型不純物(例えば、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、及びマグネシウム(Mg))を使用してpドープ材料を実現している。 Example materials for the p-doped III-V compound semiconductor layers 262 and 282 include, but are not limited to, p-doped III-V nitride semiconductor materials, such as p-type gallium nitride, p-type aluminum gallium nitride, p-type indium nitride, p-type aluminum indium nitride, p-type indium gallium nitride, p-type aluminum indium gallium nitride, or combinations thereof. In some embodiments, p-type impurities (e.g., beryllium (Be), zinc (Zn), cadmium (Cd), and magnesium (Mg)) are used to achieve the p-doped material.
幾つかの実施例において、窒化物系半導体層22は未ドープ窒化ガリウムを含み、窒化物系半導体層24は窒化ガリウムアルミニウムを含み、且つpドープIII-V族化合物半導体層262及び282はp型窒化ガリウム層であり、底層バンド構造を上向きに湾曲すると共に2DEG領域の対応する区域を消耗させることにより、双方向スイッチング装置1Aをオフ状態(an off-state condition)にする。 In some embodiments, nitride-based semiconductor layer 22 comprises undoped gallium nitride, nitride-based semiconductor layer 24 comprises aluminum gallium nitride, and p-doped III-V compound semiconductor layers 262 and 282 are p-type gallium nitride layers, bending the bottom band structure upward and depleting corresponding areas of the 2DEG region, thereby placing bidirectional switching device 1A in an off-state condition.
幾つかの実施例において、ゲート電極262及び284は金属または金属化合物を含む。ゲート電極262及び284は単層、或いは、同じまたは異なる組成の多層として形成されてもよい。金属または金属化合物の例示材料としては、例えば、タングステン(W)、金(Au)、パラジウム(Pd)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、プラチナ(Pt)、モリブデン(Mo)、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、金属合金またはその化合物、或いは他の金属化合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施例において、ゲート電極262及び284の例示材料としては、例えば、窒化物、酸化物、ケイ化物、ドープ半導体、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施例において、選択可能な誘電層は単層または多層の誘電材料で形成されている。例示誘電材料として、例えば、1つまたは複数の酸化物層、酸化ケイ素層、窒化ケイ素層、高k誘電材料(例えば、酸化ケイ素(SiOx)層、窒化ケイ素(SiNx)層、高k誘電材料(例えば、二酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化チタン(TiO2)、酸化ハフニウムジルコニウム(HfZrO)、三酸化二タンタル(Ta2O3)、ケイ酸ハフニウム(HfSiO4)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、二酸化ケイ素ジルコニウム(ZrSiO2)等)、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 In some embodiments, the gate electrodes 262 and 284 include a metal or a metal compound. The gate electrodes 262 and 284 may be formed as a single layer or multiple layers of the same or different compositions. Exemplary materials for the metal or metal compound include, but are not limited to, tungsten (W), gold (Au), palladium (Pd), titanium (Ti), tantalum (Ta), cobalt (Co), nickel (Ni), platinum (Pt), molybdenum (Mo), titanium nitride (TiN ), tantalum nitride (TaN), metal alloys or compounds thereof, or other metal compounds. In some embodiments, exemplary materials for the gate electrodes 262 and 284 include, but are not limited to, nitrides, oxides, silicides, doped semiconductors, or combinations thereof. In some embodiments, the selectable dielectric layer is formed of a single layer or multiple layers of dielectric materials. Exemplary dielectric materials include, but are not limited to, one or more oxide layers, silicon oxide layers, silicon nitride layers, high-k dielectric materials (e.g., silicon oxide ( SiOx ) layers, silicon nitride ( SiNx ) layers, high-k dielectric materials (e.g., hafnium dioxide ( HfO2 ), aluminum oxide ( Al2O3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), hafnium zirconium oxide ( HfZrO ), ditantalum trioxide ( Ta2O3 ), hafnium silicate ( HfSiO4 ), zirconium dioxide ( ZrO2 ) , zirconium silicon dioxide ( ZrSiO2 ), etc.), or combinations thereof.
ソース電極30及び32は窒化物系半導体層24上に設置されている。ソース電極30及び32はゲート構造26及び28の対応する両側に位置している。ゲート構造26及び28はソース電極30及び32の間に位置している。各ゲート構造26及び28はソース電極30及び32の間に横方向に位置している。ゲート構造26及び28並びにソース電極30及び32は共に2DEG領域を有しているデュアルゲートトランジスタとしてもよく、窒化物系(nitride-based)/窒化ガリウム系(GaN-based)のデュアルゲートトランジスタと称してもよい。 Source electrodes 30 and 32 are disposed on the nitride-based semiconductor layer 24. The source electrodes 30 and 32 are located on respective sides of the gate structures 26 and 28. The gate structures 26 and 28 are located between the source electrodes 30 and 32. Each gate structure 26 and 28 is located laterally between the source electrodes 30 and 32. The gate structures 26 and 28 and the source electrodes 30 and 32 may form a dual-gate transistor having a 2DEG region together, which may be referred to as a nitride-based/GaN-based dual-gate transistor.
本実施例の例示説明において、ソース電極30及び32はその間にあるゲート構造26及び28に対し対称になっている。幾つかの実施例において、ソース電極30及び32は選択的にその間にあるゲート構造26及び28に対し非対称になっていてもよい。 In this illustrative embodiment, the source electrodes 30 and 32 are symmetrical with respect to the gate structures 26 and 28 therebetween. In some embodiments, the source electrodes 30 and 32 may optionally be asymmetrical with respect to the gate structures 26 and 28 therebetween.
幾つかの実施例において、ソース電極30及び32は、例えば、金属、合金、ドープ半導体材料(例えばドープ結晶ケイ素)、化合物(例えばケイ化物及び窒化物)、他の導体材料、或いはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない。ソース電極30及び32の例示材料としては、例えば、チタン(Ti)、アルミニウムケイ素(AlSi)、窒化チタン(TiN)、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。ソース電極30及び32は単層でもよく、同じまたは異なる組成による多層でもよい。幾つかの実施例において、ソース電極30及び32は窒化物系半導体層24とのオーミック接触を形成している。ソース電極30及び32にチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、或いは他の適合する材料を付加してオーミック接触を実現している。幾つかの実施例において、各ソース電極30及び32は少なくとも1つの保形層及び導電充填材料で形成されている。保形層は導電充填材料を被覆可能である。保形層の例示材料として、例えば、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN)、アルミニウム(Al)、金(Au)、アルミニウムケイ素(AlSi)、ニッケル(Ni)、プラチナ(Pt)、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。導電充填の例示材料としては、例えば、アルミニウムケイ素(AlSi)、アルミニウム銅(AlCu)、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 In some embodiments, the source electrodes 30 and 32 include, but are not limited to, metals, alloys, doped semiconductor materials (e.g., doped crystalline silicon), compounds (e.g., silicides and nitrides), other conductive materials, or combinations thereof. Exemplary materials for the source electrodes 30 and 32 include, but are not limited to, titanium (Ti), aluminum silicon (AlSi), titanium nitride (TiN), or combinations thereof. The source electrodes 30 and 32 may be a single layer or multiple layers of the same or different compositions. In some embodiments, the source electrodes 30 and 32 form an ohmic contact with the nitride-based semiconductor layer 24. The source electrodes 30 and 32 may be provided with titanium (Ti), aluminum (Al), or other suitable materials to achieve the ohmic contact. In some embodiments, each source electrode 30 and 32 is formed of at least one shape-retaining layer and a conductive fill material. The shape-retaining layer may cover the conductive fill material. Exemplary materials for the shape retention layer include, but are not limited to, titanium (Ti), tantalum (Ta), titanium nitride (TiN), aluminum (Al), gold (Au), aluminum silicon (AlSi), nickel (Ni), platinum (Pt), or combinations thereof. Exemplary materials for the conductive filler include, but are not limited to, aluminum silicon (AlSi), aluminum copper (AlCu), or combinations thereof.
スペーサー層116、118、120、130、132は窒化物系半導体層24上方に設置されている。スペーサー層116、118、120は窒化物系半導体層24上に順に積層されている。スペーサー層116、118、120は保護ためにまたは装置の電気的特性(例えば、異なる層/素子の間に絶縁効果を提供する)を増強するために形成されている。スペーサー層116は窒化物系半導体層24の上面を被覆している。スペーサー層116はゲート構造26及び28を被覆してもよい。スペーサー層116はゲート構造26及び28の対向する2つの側壁を少なくとも被覆している。ソース電極30及び32はスペーサー層116、118、120を貫通/通過して窒化物系半導体層24と接触している。 Spacer layers 116, 118, 120, 130, 132 are disposed above the nitride-based semiconductor layer 24. The spacer layers 116, 118, 120 are sequentially stacked on the nitride-based semiconductor layer 24. The spacer layers 116, 118, 120 are formed for protection or to enhance the electrical properties of the device (e.g., to provide an insulating effect between different layers/elements). The spacer layer 116 covers the upper surface of the nitride-based semiconductor layer 24. The spacer layer 116 may cover the gate structures 26 and 28. The spacer layer 116 covers at least two opposing sidewalls of the gate structures 26 and 28. The source electrodes 30 and 32 penetrate/pass through the spacer layers 116, 118, 120 to contact the nitride-based semiconductor layer 24.
スペーサー層116、118、120の例示材料としては、例えば、窒化ケイ素(SiNx)、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化酸化ケイ素(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素ホウ素SiBN)、窒化炭素ケイ素ホウ素(SiCBN)、酸化物、窒化物、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施例において、スペーサー層116、118、120のうちの少なくとも1つは多層構造でもよく、例えば、酸化アルミニウム/窒化ケイ素(Al2O3/SiN)、酸化アルミニウム/二酸化ケイ素(Al2O3/SiO2)、窒化アルミニウム/窒化ケイ素(AlN/SiN)、窒化アルミニウム/二酸化ケイ素(AlN/SiO2)、或いはそれらを組み合わせた複合誘電層でもよい。 Exemplary materials for the spacer layers 116, 118 , 120 include, but are not limited to, silicon nitride ( SiNx ), silicon oxide ( SiOx ), silicon nitride ( Si3N4 ), silicon oxide-nitride (SiON), silicon carbide (SiC), silicon boron nitride (SiBN), silicon boron carbonitride (SiCBN), oxides, nitrides, or combinations thereof. In some embodiments, at least one of the spacer layers 116, 118, 120 may be a multi-layer structure, such as a composite dielectric layer of aluminum oxide/silicon nitride (Al2O3/SiN), aluminum oxide/silicon dioxide (Al2O3 / SiO2 ) , aluminum nitride/silicon nitride (AlN/SiN), aluminum nitride/silicon dioxide (AlN/ SiO2 ), or combinations thereof.
フィールドプレート122、123、124、及び125はゲート構造26及び28上方に設置されている。フィールドプレート122及び123はスペーサー層116及び118の間に位置している。フィールドプレート124及び125はスペーサー層118及び120の間に位置している。即ち、スペーサー層116、フィールドプレート122及び123、スペーサー層118、フィールドプレート124及び125、並びにスペーサー層120は窒化物系半導体層24上に順に積層/形成されている。フィールドプレート122、123、124、及び125はソース電極30及び32の間に位置している。フィールドプレート122、123、124、及び125の例示材料として、例えば、導電材料が挙げられるが、これに限定されるものではない。例えば、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、或いはそれらの組み合わせを含む。幾つかの実施例において、他の導電材料を更に使用してもよく、例えば、アルミニウム、銅ドープケイ素、及びこれらの材料を含む合金を使用してもよい。 Field plates 122, 123, 124, and 125 are disposed above gate structures 26 and 28. Field plates 122 and 123 are located between spacer layers 116 and 118. Field plates 124 and 125 are located between spacer layers 118 and 120. That is, spacer layer 116, field plates 122 and 123, spacer layer 118, field plates 124 and 125, and spacer layer 120 are stacked/formed in order on nitride-based semiconductor layer 24. Field plates 122, 123, 124, and 125 are located between source electrodes 30 and 32. Exemplary materials for field plates 122, 123, 124, and 125 include, but are not limited to, conductive materials. For example, titanium (Ti), tantalum (Ta), titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), or combinations thereof. In some embodiments, other conductive materials may also be used, such as aluminum, copper-doped silicon, and alloys containing these materials.
図3Cを参照すると、フィールドプレート122及び123は双方向スイッチング装置1A中の下部フィールドプレートとしてもよい。フィールドプレート122はスペーサー層116上に設置されているため、ゲート構造26と分離している。フィールドプレート122は少なくとも一部分のゲート構造26を横方向に跨いでいる。フィールドプレート122は領域を横方向に跨ぎ、この領域はゲート構造26に直接隣接していると共にゲート構造26及び28の間に位置している。フィールドプレート123はスペーサー層116上に設置されているため、ゲート構造28と分離している。フィールドプレート123はゲート構造28の少なくとも一部分を横方向に跨いでいる。フィールドプレート123は領域を横方向に跨ぎ、この領域はゲート構造28に直接隣接していると共にゲート構造26及び28の間に位置している領域である。フィールドプレート122及び123は互いに横方向に間隔を空けている。 Referring to FIG. 3C, field plates 122 and 123 may be lower field plates in the bidirectional switching device 1A. Field plate 122 is disposed on spacer layer 116 and is therefore isolated from gate structure 26. Field plate 122 laterally spans at least a portion of gate structure 26. Field plate 122 laterally spans a region that is directly adjacent to gate structure 26 and between gate structures 26 and 28. Field plate 123 is disposed on spacer layer 116 and is therefore isolated from gate structure 28. Field plate 123 laterally spans at least a portion of gate structure 28. Field plate 123 laterally spans a region that is directly adjacent to gate structure 28 and between gate structures 26 and 28. Field plates 122 and 123 are laterally spaced apart from each other.
フィールドプレート124及び125は双方向スイッチング装置1A中の上部フィールドプレートとしてもよい。フィールドプレート124はスペーサー層118上に設置されているため、フィールドプレート122と分離している。フィールドプレート124はフィールドプレート122の少なくとも一部分を横方向に跨いでいる。フィールドプレート124は領域を横方向に跨ぎ、この領域はフィールドプレート122に直接隣接していると共にフィールドプレート122及び123の間に位置している。フィールドプレート125はスペーサー層118上に設置されているため、フィールドプレート123と分離している。フィールドプレート125はフィールドプレート123の少なくとも一部分を横方向に跨いでいる。フィールドプレート125は領域を横方向に跨ぎ、この領域はフィールドプレート123に直接隣接していると共にフィールドプレート122及び123の間に位置している。フィールドプレート124及び125は互いに横方向に間隔を空けている。 Field plates 124 and 125 may be upper field plates in the bidirectional switching device 1A. Field plate 124 is disposed on the spacer layer 118 and is therefore separate from field plate 122. Field plate 124 laterally spans at least a portion of field plate 122. Field plate 124 laterally spans a region that is directly adjacent to field plate 122 and is located between field plates 122 and 123. Field plate 125 is disposed on the spacer layer 118 and is therefore separate from field plate 123. Field plate 125 laterally spans at least a portion of field plate 123. Field plate 125 laterally spans a region that is directly adjacent to field plate 123 and is located between field plates 122 and 123. Field plates 124 and 125 are laterally spaced apart from each other.
よって、フィールドプレート124からフィールドプレート125までの距離はフィールドプレート122からフィールドプレート123までの距離より短い。フィールドプレート122、123、124、125の配置は耐電圧を高める要素としている。双方向スイッチング装置1Aがターンオフ状態にある場合、ゲート構造26及び28の間の領域に破壊が生じているかどうかは、その部分の電界の分布に関連している。これはゲート構造26及び28の間に他の導電素子が形成されていないためであり、よって、フィールドプレート122、123、124、125の配置はターンオフ状態の制御程度と高い相関関係がある。 Therefore, the distance from field plate 124 to field plate 125 is shorter than the distance from field plate 122 to field plate 123. The arrangement of field plates 122, 123, 124, and 125 is a factor that increases the withstand voltage. When bidirectional switching device 1A is in the turned-off state, whether or not breakdown occurs in the region between gate structures 26 and 28 is related to the distribution of the electric field in that portion. This is because no other conductive elements are formed between gate structures 26 and 28, and therefore the arrangement of field plates 122, 123, 124, and 125 is highly correlated with the degree of control of the turned-off state.
フィールドプレート124からフィールドプレート125までの距離がフィールドプレート122からフィールドプレート123までの距離より短いため、ゲート構造26及び28の間の領域の電界の分布を抑制でき、電界のピーク値の出現を回避している。ゲート構造26及び28の間の領域箇所の電界の分布が平滑に変化する。この点について、一旦電界の分布の集中程度が高まると、分布中にピーク値が発生し、破壊が生じる可能性があり、その後ターンオフ状態が失効することになる。ターンオフ状態の失効を回避するため、フィールドプレート124及び125をフィールドプレート122及び123の間の領域まで延伸するように形成している。 Because the distance from field plate 124 to field plate 125 is shorter than the distance from field plate 122 to field plate 123, the distribution of the electric field in the region between gate structures 26 and 28 can be suppressed, and the occurrence of peak values of the electric field is avoided. The distribution of the electric field in the region between gate structures 26 and 28 changes smoothly. In this regard, once the concentration of the electric field distribution becomes high, a peak value occurs in the distribution, which may cause destruction, and then the turn-off state will be lost. To avoid the loss of the turn-off state, field plates 124 and 125 are formed to extend to the region between field plates 122 and 123.
また、フィールドプレート122及び123の形成過程はフィールドプレート124及び125の過程と異なっていてもよく、これは双方向スイッチング装置1Aの電気的特性を改善するのに利する。その理由の1つは、このような方法により双方向スイッチング装置1Aが原設計の配置から偏るのを回避している点である。 In addition, the process for forming field plates 122 and 123 may be different from that for field plates 124 and 125, which is beneficial for improving the electrical characteristics of bidirectional switching device 1A. One reason for this is that such a method avoids deviation of bidirectional switching device 1A from the original design layout.
例えば、下部スペーサー層、下部フィールドプレート、上部スペーサー層、及び上部フィールドプレートで形成されている積層構造を備えている半導体装置に関連する。下部フィールドプレートの形成過程はブランケット導電層をパターン化して下部フィールドプレートを形成することを含む。然しながら、パターン化過程に、下部スペーサー層の幾つかの部分を除去することにより(下部スペーサー層の上面に近接する部分)、下部スペーサー層の厚さが減少する。このため、下部スペーサー層の厚さが減少することで、上部スペーサー層及び下部スペーサー層上にある上部フィールドプレートが原先設計よりも低い位置に形成される。これにより、半導体装置の安定性が影響を受け、且つ半導体装置の性能が低下する。 For example, this relates to a semiconductor device having a stacked structure formed of a lower spacer layer, a lower field plate, an upper spacer layer, and an upper field plate. The process of forming the lower field plate includes patterning a blanket conductive layer to form the lower field plate. However, during the patterning process, some parts of the lower spacer layer (parts adjacent to the upper surface of the lower spacer layer) are removed, thereby reducing the thickness of the lower spacer layer. As a result, the thickness of the lower spacer layer is reduced, and the upper field plate on the upper spacer layer and the lower spacer layer is formed at a lower position than the original design. This affects the stability of the semiconductor device and reduces the performance of the semiconductor device.
図4Aを参照すると、図4Aは図3Cの区域2Aを示す拡大図であり、フィールドプレート122及び123の形成及びフィールドプレート124及び125の形成の異なる過程により発生する詳細な構造の特徴を図示する。フィールドプレート122及び123のパターン化は、ウェットエッチングプロセスにより実現している。フィールドプレート124及び125のパターン化技術は、ドライエッチングプロセスを使用して実現している。 Referring to FIG. 4A, FIG. 4A is an enlarged view of area 2A of FIG. 3C, illustrating detailed structural features resulting from different processes of forming field plates 122 and 123 and field plates 124 and 125. The patterning of field plates 122 and 123 is achieved by a wet etching process. The patterning technique of field plates 124 and 125 is achieved using a dry etching process.
この点について、ウェットエッチングプロセスの化学技術はエッチングの選択性を高めている。エッチングの選択性が高まることは、エッチング速度が目標材料に対しより強化され、但し、非目標材料に対しては弱まることを意味している。比較すると、ドライエッチングプロセスは選択性が低いという欠点を有している。ドライエッチングプロセスを使用してフィールドプレート124及び125をパターン化する理由の1つは、ドライエッチングプロセスがイオン衝撃に関連し、例えば、反応性イオンエッチング(reactive-ion etching、 RIE)は、エッチングが高速になるという特徴を有し、且つ目標材料に対し制御可能である点である。ドライエッチングプロセスの選択性が低くとも、低い選択性と上述の利点のトレードオフにより、上部フィールドプレート(即ち、フィールドプレート124及び125)にポジティブな効果を提供している。 In this regard, the chemistry of the wet etching process enhances the etching selectivity. Enhanced etching selectivity means that the etching rate is stronger for the target material but weaker for the non-target material. In comparison, dry etching processes have the disadvantage of low selectivity. One of the reasons for using dry etching processes to pattern the field plates 124 and 125 is that dry etching processes involve ion bombardment, e.g., reactive-ion etching (RIE), which has the characteristics of fast etching and is controllable for the target material. Although the selectivity of the dry etching process is low, it still provides a positive effect on the upper field plate (i.e., field plates 124 and 125) by trading off the low selectivity with the above-mentioned advantages.
このため、フィールドプレート122のパターン化過程において、不動態層116がエッチングを受けず、その形態の輪郭を保留している。フィールドプレート122及び123のパターン化後に、不動態層116の厚さが同じまたは略同じに保持される(即ち、減少する数量が略無視できる)。 As a result, during the patterning process of the field plate 122, the passivation layer 116 is not etched and retains its contours. After the patterning of the field plates 122 and 123, the thickness of the passivation layer 116 remains the same or approximately the same (i.e., the amount of reduction is approximately negligible).
一方では、フィールドプレート124のパターン化過程において、不動態層118がフィールドプレート124により露出されてエッチングが施され、これはオーバーエッチング(over-etching)と呼ばれ、これによりその形態の輪郭が改変されている。このため、フィールドプレート124に対しパターン化を行った後には、不動態層118の厚さが顕著に減少する。不動態層118上にオーバーエッチングが発生しても、フィールドプレート122及び124の位置がすでに決定しているため、オーバーエッチングが双方向スイッチング装置1Aの性能に顕著な影響を与えない。然しながら、フィールドプレート124に用いるドライエッチングプロセスは良好な可制御性を有しているため、双方向スイッチング装置1Aの製造過程の効率を高めている(例えば、製造過程を加速する)。 On the one hand, during the patterning process of the field plate 124, the passivation layer 118 is exposed by the field plate 124 and etched, which is called over-etching, and the contour of the shape is modified. Therefore, after the patterning of the field plate 124, the thickness of the passivation layer 118 is significantly reduced. Even if over-etching occurs on the passivation layer 118, the over-etching does not significantly affect the performance of the bidirectional switching device 1A because the positions of the field plates 122 and 124 have already been determined. However, the dry etching process used for the field plate 124 has good controllability, which increases the efficiency of the manufacturing process of the bidirectional switching device 1A (e.g., accelerates the manufacturing process).
また、ウェットエッチング及びドライエッチングの間の差異がフィールドプレート122及び124の辺縁/側壁箇所に対し異なる輪郭を発生させる。フィールドプレート122は不動態層116から上向きに延伸されている側壁SW1を有している。フィールドプレート122の側壁SW1は内向きに凹設されて不動態層118を受け止めている。フィールドプレート124は不動態層118から上向きに延伸されている傾斜側壁SW2を有している。この差異の発生原因は等方性エッチング(isotropic etching)及び異方性エッチング(anisotropic etching)に関連し、等方性エッチング及び異方性エッチングはそれぞれウェットエッチング及びドライエッチングにより発生する。フィールドプレート122の側壁SW1はフィールドプレート124の傾斜側壁SW2とは異なる輪郭を有している。また、フィールドプレート122及び124は異なる粗度を有していてもよい。幾つかの実施例において、傾斜側壁SW2の表面粗度は側壁SW1の表面粗度より大きい。ここでは、表面粗度とは表面の質感の一部分を指している(即ち、そのサイズがその層の厚さよりずっと小さい)。 The difference between the wet and dry etching also results in different contours for the edge/sidewall locations of the field plates 122 and 124. The field plate 122 has a sidewall SW1 extending upward from the passivation layer 116. The sidewall SW1 of the field plate 122 is recessed inward to receive the passivation layer 118. The field plate 124 has a sloping sidewall SW2 extending upward from the passivation layer 118. The cause of this difference is related to isotropic etching and anisotropic etching, which are caused by wet etching and dry etching, respectively. The sidewall SW1 of the field plate 122 has a different contour than the sloping sidewall SW2 of the field plate 124. The field plates 122 and 124 may also have different roughnesses. In some embodiments, the surface roughness of the sloping sidewall SW2 is greater than the surface roughness of the sidewall SW1. Here, surface roughness refers to a portion of the surface texture (i.e., its size is much smaller than the layer thickness).
フィールドプレート124の側壁SW2はドライエッチングの異方性技術により形成されているため、フィールドプレート124の側壁SW2は平坦で傾斜している。例えば、フィールドプレート124の傾斜側壁SW2は不動態層118から上向きに延伸され、且つ不動態層118の上面に対し傾斜している。また、不動態層118にオーバーエッチングが発生すると、不動態層118の側面がフィールドプレート124の傾斜側壁SW2より低くなる。不動態層118の側面は平坦で傾斜している輪郭を有していてもよい。不動態層118の側面は不動態層118の上面の位置よりも低くなるように傾斜側壁SW2から傾斜するように延伸されている。傾斜側壁SW2及び不動態層118の側面中の傾斜程度が異なる可能性があるが、これはこれらの間のエッチングの選択性に起因する(即ち、フィールドプレート124及び不動態層118が同一のエッチング剤に対し異なるエッチング速度を有している)。 The sidewall SW2 of the field plate 124 is formed by anisotropic dry etching technique, so that the sidewall SW2 of the field plate 124 is flat and inclined. For example, the inclined sidewall SW2 of the field plate 124 extends upward from the passivation layer 118 and is inclined with respect to the upper surface of the passivation layer 118. Also, when overetching of the passivation layer 118 occurs, the side of the passivation layer 118 becomes lower than the inclined sidewall SW2 of the field plate 124. The side of the passivation layer 118 may have a flat and inclined profile. The side of the passivation layer 118 extends inclined from the inclined sidewall SW2 so that it is lower than the position of the upper surface of the passivation layer 118. The degree of inclination in the inclined sidewall SW2 and the side of the passivation layer 118 may be different, which is due to the selectivity of the etching between them (i.e., the field plate 124 and the passivation layer 118 have different etching rates for the same etchant).
幾つかの実施例において、フィールドプレート122の厚さはフィールドプレート124の厚さと略同じである。幾つかの実施例において、フィールドプレート122の厚さはフィールドプレート124の厚さより厚い。幾つかの実施例において、フィールドプレート122の厚さはフィールドプレート124の厚さより薄い。フィールドプレート122及び124の間の厚さの関係は実際の要求によって決定し、例えば、電界の分布の設計または技術条件によって決定している。幾つかの実施例において、フィールドプレート122及び124は同じ導電材料で製造されている。幾つかの実施例において、フィールドプレート122及び124は異なる導電材料で製造されている。 In some embodiments, the thickness of field plate 122 is approximately the same as the thickness of field plate 124. In some embodiments, the thickness of field plate 122 is greater than the thickness of field plate 124. In some embodiments, the thickness of field plate 122 is less than the thickness of field plate 124. The thickness relationship between field plates 122 and 124 is determined by practical requirements, such as design or engineering requirements for the distribution of electric field. In some embodiments, field plates 122 and 124 are fabricated from the same conductive material. In some embodiments, field plates 122 and 124 are fabricated from different conductive materials.
図4Bを参照すると、図4Bは図3Cにおける区域2Bを示す拡大図であり、フィールドプレート123及び125を形成するための異なる技術が発生させる詳細な構造の特徴を図示している。フィールドプレート123のパターン化はウェットエッチングプロセスにより実現してもよい。また、フィールドプレート125のパターン化はドライエッチングプロセスを使用して実現してもよい。フィールドプレート122及び124の構造の特徴はフィールドプレート123及び125に応用可能である。即ち、フィールドプレート123及び125の間の差異は上述の説明を参照する。 Referring to FIG. 4B, FIG. 4B is an enlarged view of area 2B in FIG. 3C, illustrating detailed structural features resulting from different techniques for forming field plates 123 and 125. Patterning of field plate 123 may be achieved by a wet etching process. Also, patterning of field plate 125 may be achieved using a dry etching process. The structural features of field plates 122 and 124 are applicable to field plates 123 and 125. That is, the differences between field plates 123 and 125 refer to the above description.
図3B及び図3Cを再度参照すると、スペーサー層130はスペーサー層120並びにソース電極30及び32の上方に設置されている。スペーサー層130はスペーサー層120並びにソース電極30及び32を被覆している。スペーサー層130は平面化層としてもよく、他の層/素子を支持するための水平上面を有している。幾つかの実施例において、スペーサー層130は更に厚く形成されてもよく、且つスペーサー層130上に平坦化技術を実行し、例えば、化学機械研磨(chemical mechanical polish、 CMP)技術により余剰部分を除去し、水平上面を形成してもよい。スペーサー層130の例示材料としては、例えば、窒化ケイ素(SiNx)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化酸化ケイ素(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素ホウ素(SiBN)、窒化炭素ケイ素ホウ素(SiCBN)、酸化物、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施例において、スペーサー層130は多層構造であり、例えば、酸化アルミニウム/窒化ケイ素(Al2O3/SiN)、酸化アルミニウム/二酸化ケイ素(Al2O3/SiO2)、窒化アルミニウム/窒化ケイ素(AlN/SiN)、窒化アルミニウム/二酸化ケイ素(AlN/SiO2)、或いはそれらが組み合わせられた複合誘電層である。 3B and 3C, the spacer layer 130 is disposed above the spacer layer 120 and the source electrodes 30 and 32. The spacer layer 130 covers the spacer layer 120 and the source electrodes 30 and 32. The spacer layer 130 may be a planarization layer and has a horizontal upper surface to support other layers/elements. In some embodiments, the spacer layer 130 may be formed thicker, and a planarization technique may be performed on the spacer layer 130, for example, a chemical mechanical polish (CMP) technique to remove excess portions and form a horizontal upper surface. Exemplary materials for the spacer layer 130 include, but are not limited to, silicon nitride ( SiNx ), silicon nitride ( Si3N4 ), silicon oxide nitride ( SiON ), silicon carbide (SiC), silicon boron nitride (SiBN), silicon boron carbonitride (SiCBN), oxides, or combinations thereof. In some embodiments, the spacer layer 130 is a multi-layer structure, such as a composite dielectric layer of aluminum oxide /silicon nitride ( Al2O3 /SiN), aluminum oxide/silicon dioxide ( Al2O3 / SiO2 ), aluminum nitride/silicon nitride (AlN/SiN), aluminum nitride/silicon dioxide (AlN/ SiO2 ), or combinations thereof.
接触ビア134はスペーサー層130に内設されている。接触ビア132はスペーサー層130を貫通している。接触ビア134は縦方向に延伸されてソース電極30及び32にそれぞれ電気的に接続されている。接触ビア136、138及び140は少なくともスペーサー層130に内設されている。接触ビア136、138及び140はスペーサー層116、118、120及び130のうちの少なくとも1つを貫通している。接触ビア136は縦方向に延伸されてフィールドプレート124及び125に電気的に接続されている。接触ビア138は縦方向に延伸されてフィールドプレート122及び123に電気的に接続されている。接触ビア140は縦方向に延伸されてゲート電極264及び284に電気的に接続されている。ビア134、136、138及び140の例示材料としては、例えば、金属や合金のような導電材料が挙げられるが、これに限定されるものではない。 The contact via 134 is disposed within the spacer layer 130. The contact via 132 passes through the spacer layer 130. The contact via 134 extends vertically and is electrically connected to the source electrodes 30 and 32, respectively. The contact vias 136, 138, and 140 are disposed within at least the spacer layer 130. The contact vias 136, 138, and 140 pass through at least one of the spacer layers 116, 118, 120, and 130. The contact via 136 extends vertically and is electrically connected to the field plates 124 and 125. The contact via 138 extends vertically and is electrically connected to the field plates 122 and 123. The contact via 140 extends vertically and is electrically connected to the gate electrodes 264 and 284. Exemplary materials for the vias 134, 136, 138, and 140 include, but are not limited to, conductive materials such as metals and alloys.
パターン化導電層144はスペーサー層130及び接触ビア142上に設置されている。パターン化導電層144は接触ビア142に接触している。パターン化導電層144は金属線、パッド、トレース、或いはそれらの組み合わせを有し、パターン化導電層144が少なくとも1つの回路を形成している。パターン化導電層144の例示材料としては、例えば、導電材料が挙げられるが、これに限定されるものではない。パターン化導電層144は銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、それらの合金、それらの酸化物、それらの窒化物、或いはそれらが組み合わせられた単層フィルムまたは多層フィルムを含む。 The patterned conductive layer 144 is disposed on the spacer layer 130 and the contact vias 142. The patterned conductive layer 144 is in contact with the contact vias 142. The patterned conductive layer 144 may include metal lines, pads, traces, or combinations thereof, such that the patterned conductive layer 144 forms at least one circuit. Exemplary materials for the patterned conductive layer 144 include, but are not limited to, conductive materials. The patterned conductive layer 144 may include, but is not limited to, silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), alloys thereof, oxides thereof, nitrides thereof, or single or multilayer films of combinations thereof.
スペーサー層132はスペーサー層130及びパターン化導電層144上方に設置されている。スペーサー層132はスペーサー層130及びパターン化導電層144を被覆している。スペーサー層132は平坦化層として用いられ、他の層/素子を支持するための水平上面を有している。幾つかの実施例において、スペーサー層132は更に厚く形成されてもよく、且つスペーサー層132上でCMP処理のような平坦化処理を実行し、余剰部分を除去することにより、水平上面を形成している。スペーサー層132の例示材料としては、例えば、窒化ケイ素(SiNx)、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化酸化ケイ素(SiON)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素ホウ素SiBN)、窒化炭素ケイ素ホウ素(SiCBN)、酸化物、或いはそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。幾つかの実施例において、スペーサー層132は多層構造であり、例えば、酸化アルミニウム/窒化ケイ素(Al2O3/SiN)、酸化アルミニウム/二酸化ケイ素(Al2O3/SiO2)、窒化アルミニウム/窒化ケイ素(AlN/SiN)、窒化アルミニウム/二酸化ケイ素(AlN/SiO2)、或いはそれらが組み合わせられた複合誘電層である。 The spacer layer 132 is disposed above the spacer layer 130 and the patterned conductive layer 144. The spacer layer 132 covers the spacer layer 130 and the patterned conductive layer 144. The spacer layer 132 is used as a planarization layer and has a horizontal upper surface to support other layers/elements. In some embodiments, the spacer layer 132 may be formed thicker, and a planarization process such as a CMP process is performed on the spacer layer 132 to remove excess portions to form a horizontal upper surface. Exemplary materials for the spacer layer 132 include, but are not limited to, silicon nitride ( SiNx ), silicon nitride ( Si3N4 ), silicon oxide nitride ( SiON ), silicon carbide (SiC), silicon boron nitride (SiBN), silicon boron carbonitride (SiCBN), oxides, or combinations thereof. In some embodiments, the spacer layer 132 is a multi-layer structure, such as a composite dielectric layer of aluminum oxide /silicon nitride ( Al2O3 /SiN), aluminum oxide/silicon dioxide ( Al2O3 / SiO2 ), aluminum nitride/silicon nitride (AlN/SiN), aluminum nitride/silicon dioxide (AlN/ SiO2 ), or combinations thereof.
接触ビア142はスペーサー層132に内設されている。接触ビア142はスペーサー層132を貫通している。接触ビア142は縦方向に延伸されてパターン化導電層144に電気的に接続されている。接触ビア142の上面はスペーサー層132により被覆されていない。接触ビア142の例示材料としては、例えば、金属や合金のような導電材料が挙げられるが、これに限定されるものではない。 The contact via 142 is disposed within the spacer layer 132. The contact via 142 penetrates the spacer layer 132. The contact via 142 extends vertically and is electrically connected to the patterned conductive layer 144. The top surface of the contact via 142 is not covered by the spacer layer 132. Exemplary materials for the contact via 142 include, but are not limited to, conductive materials such as metals and alloys.
パターン化導電層146はスペーサー層132及び接触ビア142上に設置されている。パターン化導電層146は接触ビア142に接触している。パターン化導電層146は金属線(metal lines)、パッド(pads)、トレース(traces)、或いはそれらの組み合わせを有し、パターン化導電層146が少なくとも1つの回路を形成している。パターン化導電層146の例示材料として導電材料が挙げられるが、これに限定されるものではない。パターン化導電層146は銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、それらの合金、それらの酸化物、それらの窒化物、或いはそれらが組み合わせられた単層フィルムまたは多層フィルムを含む。 The patterned conductive layer 146 is disposed on the spacer layer 132 and the contact vias 142. The patterned conductive layer 146 contacts the contact vias 142. The patterned conductive layer 146 may include metal lines, pads, traces, or a combination thereof, such that the patterned conductive layer 146 forms at least one circuit. Exemplary materials for the patterned conductive layer 146 include, but are not limited to, conductive materials. The patterned conductive layer 146 may include silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), alloys thereof, oxides thereof, nitrides thereof, or a single layer or multilayer film of any combination thereof.
パターン化導電層144または146の回路は構造中の異なる層/素子に接続され、これら層または素子が同じ電位を有している。例えば、ビア136、138、140はゲート電極264及び284並びにフィールドプレート122、123、124、125上に設置されていると共にゲート電極264及び284に電気的に接続されている。このような接続により、ゲート電極264及び284並びにフィールドプレート122、123、124、125がパターン化導電層144の回路を介して相互に電気的に接続されて同じ電位を有することで、フィールドプレート122、123、124、125をゲートフィールドプレートとしている。 The circuitry of the patterned conductive layer 144 or 146 connects different layers/elements in the structure, which have the same electrical potential. For example, vias 136, 138, 140 are placed on gate electrodes 264 and 284 and field plates 122, 123, 124, 125, and are electrically connected to gate electrodes 264 and 284. With such connections, gate electrodes 264 and 284 and field plates 122, 123, 124, 125 are electrically connected to each other through the circuitry of the patterned conductive layer 144 and have the same electrical potential, making field plates 122, 123, 124, 125 gate field plates.
保護層148はスペーサー層132及びパターン化導電層146上方に設置されている。保護層148はスペーサー層132及びパターン化導電層146を被覆している。保護層148はパターン化導電層146の酸化を防止している。パターン化導電層146の幾つかの部分は保護層148中の開口部から露出され、これら開口部は外部素子(例えば、外部回路)に電気的に接続されるように配置されている。 The protective layer 148 is disposed above the spacer layer 132 and the patterned conductive layer 146. The protective layer 148 covers the spacer layer 132 and the patterned conductive layer 146. The protective layer 148 prevents oxidation of the patterned conductive layer 146. Some portions of the patterned conductive layer 146 are exposed through openings in the protective layer 148, and these openings are arranged to be electrically connected to an external device (e.g., an external circuit).
ゲート電極264及び284とフィールドプレート122、123、124、125との間の関係は可変である。変化は装置の設計の要求によって決定する。例えば、高圧装置に対し、寄生容量が2つの導電層の間で発生する。このため、導電層の輪郭に対して改修を行い、構造の要求に適合させる必要がある。例えば、電界の分布を抑制するため、大面積を有している少なくとも1つのフィールドプレートを形成する。 The relationship between the gate electrodes 264 and 284 and the field plates 122, 123, 124, 125 is variable. The variation is determined by the requirements of the device design. For example, for high voltage devices, parasitic capacitance occurs between the two conductive layers. Therefore, the contours of the conductive layers need to be modified to meet the requirements of the structure. For example, at least one field plate with a large area is formed to suppress the distribution of the electric field.
図5は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Bを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Bは、ゲート構造26B及び28Bと、フィールドプレート122B、123B、124B、及び125Bと、を備えている。ゲート構造26BはpドープIII-V族化合物半導体層262B及びゲート電極264Bを含む。ゲート構造28BはpドープIII-V族化合物半導体層282B及びゲート電極284Bを含む。 Figure 5 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1B according to some embodiments of the present invention. The bidirectional switching device 1B includes gate structures 26B and 28B and field plates 122B, 123B, 124B, and 125B. The gate structure 26B includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262B and a gate electrode 264B. The gate structure 28B includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282B and a gate electrode 284B.
フィールドプレート122B及びゲート構造26Bは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122B及びゲート構造26Bは横方向に重複する、距離D1がゲート構造26Bの全長に等しい。フィールドプレート124B及びゲート構造26Bは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124B及びゲート構造26Bは横方向に重複する、距離D1がゲート構造26Bの全長に等しい。フィールドプレート124B及びフィールドプレート122Bは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124B及びフィールドプレート122Bは横方向に重複する、距離D2がフィールドプレート122Bの全長に等しい。 The field plate 122B and the gate structure 26B overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 122B and the gate structure 26B overlap in the lateral direction, with a distance D1 equal to the overall length of the gate structure 26B. The field plate 124B and the gate structure 26B overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124B and the gate structure 26B overlap in the lateral direction, with a distance D1 equal to the overall length of the gate structure 26B. The field plate 124B and the field plate 122B overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124B and the field plate 122B overlap in the lateral direction, with a distance D2 equal to the overall length of the field plate 122B.
フィールドプレート123B及びゲート構造28Bは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123B及びゲート構造28Bは横方向に重複する、距離D3がゲート構造28Bの全長に等しい。フィールドプレート125B及びゲート構造28Bは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125B及びゲート構造28Bは横方向に重複する、距離D3がゲート構造28Bの全長に等しい。フィールドプレート125B及びフィールドプレート123Bは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125B及びフィールドプレート123Bは横方向に重複する、距離D4がフィールドプレート123Bの全長に等しい。 Field plate 123B and gate structure 28B overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, field plate 123B and gate structure 28B overlap in the lateral direction, with distance D3 equal to the overall length of gate structure 28B. Field plate 125B and gate structure 28B overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, field plate 125B and gate structure 28B overlap in the lateral direction, with distance D3 equal to the overall length of gate structure 28B. Field plate 125B and field plate 123B overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, field plate 125B and field plate 123B overlap in the lateral direction, with distance D4 equal to the overall length of field plate 123B.
図6は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Cを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Cは図5に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Bに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124B及び125Bがフィールドプレート124C及び125Cにより代替されている点である。 Figure 6 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1C according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1C is similar to bidirectional switching device 1B depicted and illustrated in Figure 5, with the difference being that field plates 124B and 125B are replaced by field plates 124C and 125C.
双方向スイッチング装置1Cはゲート構造26C及び28Cと、フィールドプレート122C、123C、124C、及び125Cと、を備えている。ゲート構造26CはpドープIII-V族化合物半導体層262C及びゲート電極264Cを含む。ゲート構造28CはpドープIII-V族化合物半導体層282C及びゲート電極284Cを含む。 The bidirectional switching device 1C includes gate structures 26C and 28C and field plates 122C, 123C, 124C, and 125C. The gate structure 26C includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262C and a gate electrode 264C. The gate structure 28C includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282C and a gate electrode 284C.
フィールドプレート122C及びゲート構造26Cは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122C及びゲート構造26Cは横方向に重複する、距離D5がゲート構造26Cの全長に等しい。フィールドプレート124C及びゲート構造26Cは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124C及びゲート構造26Cは横方向に重複する、距離D5はゲート構造26Cの全長に等しい。フィールドプレート124C及びフィールドプレート122Cは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124C及びフィールドプレート122Cは横方向に重複する、距離D6がフィールドプレート122Bの全長より短い。 The field plate 122C and the gate structure 26C overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 122C and the gate structure 26C overlap in the horizontal direction, and the distance D5 is equal to the total length of the gate structure 26C. The field plate 124C and the gate structure 26C overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124C and the gate structure 26C overlap in the horizontal direction, and the distance D5 is equal to the total length of the gate structure 26C. The field plate 124C and the field plate 122C overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124C and the field plate 122C overlap in the horizontal direction, and the distance D6 is shorter than the total length of the field plate 122B.
フィールドプレート123C及びゲート構造28Cは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123C及びゲート構造28Cは横方向に重複するされ、距離D7がゲート構造28Cの全長に等しい。フィールドプレート125C及びゲート構造28Cは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125C及びゲート構造28Cは横方向に重複する、距離D7がゲート構造28Cの全長に等しい。フィールドプレート125C及びフィールドプレート123Cは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125C及びフィールドプレート123Cは横方向に重複する、距離D8がフィールドプレート123Cの全長より短い。 The field plate 123C and the gate structure 28C overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 123C and the gate structure 28C overlap in the horizontal direction, and the distance D7 is equal to the total length of the gate structure 28C. The field plate 125C and the gate structure 28C overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125C and the gate structure 28C overlap in the horizontal direction, and the distance D7 is equal to the total length of the gate structure 28C. The field plate 125C and the field plate 123C overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125C and the field plate 123C overlap in the horizontal direction, and the distance D8 is shorter than the total length of the field plate 123C.
図7は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Dを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Dは図5に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Bに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124B及び125Bがフィールドプレート124D及び125Dにより代替されている点である。 Figure 7 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1D according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1D is similar to bidirectional switching device 1B depicted and illustrated in Figure 5, with the difference being that field plates 124B and 125B are replaced by field plates 124D and 125D.
双方向スイッチング装置1Dはゲート構造26D及び28Dと、フィールドプレート122D、123D、124D、及び12Dと、を備えている。ゲート構造26DはpドープIII-V族化合物半導体層262D及びゲート電極264Dを含む。ゲート構造28DはpドープIII-V族化合物半導体層282D及びゲート電極284Dを含む。 The bidirectional switching device 1D includes gate structures 26D and 28D and field plates 122D, 123D, 124D, and 12D. The gate structure 26D includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262D and a gate electrode 264D. The gate structure 28D includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282D and a gate electrode 284D.
フィールドプレート122D及びゲート構造26Dは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122D及びゲート構造26Dは横方向に重複する、距離D9がゲート構造26Dの全長に等しい。フィールドプレート124D及びゲート構造26Dは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124D及びゲート構造26Dは横方向に重複する、距離D10がゲート構造26Dの全長より短い。フィールドプレート124D及びフィールドプレート122Dは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124D及びフィールドプレート122Dは横方向に重複する、距離D11はフィールドプレート122Dの全長より短い。 The field plate 122D and the gate structure 26D overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 122D and the gate structure 26D overlap in the lateral direction, and the distance D9 is equal to the total length of the gate structure 26D. The field plate 124D and the gate structure 26D overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124D and the gate structure 26D overlap in the lateral direction, and the distance D10 is shorter than the total length of the gate structure 26D. The field plate 124D and the field plate 122D overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124D and the field plate 122D overlap in the lateral direction, and the distance D11 is shorter than the total length of the field plate 122D.
フィールドプレート123D及びゲート構造28Dは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123D及びゲート構造28Dは横方向に重複する、距離D12がゲート構造28Dの全長に等しい。フィールドプレート125D及びゲート構造28Dは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125D及びゲート構造28Dは横方向に重複する、距離D13がゲート構造28Dの全長より短い。フィールドプレート125D及びフィールドプレート123Dは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125D及びフィールドプレート123Dは横方向に重複する、距離D14がフィールドプレート123Dの全長より短い。 The field plate 123D and the gate structure 28D overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 123D and the gate structure 28D overlap in the lateral direction, and the distance D12 is equal to the total length of the gate structure 28D. The field plate 125D and the gate structure 28D overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125D and the gate structure 28D overlap in the lateral direction, and the distance D13 is shorter than the total length of the gate structure 28D. The field plate 125D and the field plate 123D overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125D and the field plate 123D overlap in the lateral direction, and the distance D14 is shorter than the total length of the field plate 123D.
図8は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Eを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Eは図5に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Bに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124B及び125Bがフィールドプレート124E及び125Eにより代替されている点である。 Figure 8 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1E according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1E is similar to bidirectional switching device 1B depicted and illustrated in Figure 5, with the difference being that field plates 124B and 125B are replaced by field plates 124E and 125E.
双方向スイッチング装置1Eはゲート構造26E及び28Eと、フィールドプレート122E、123E、124E、及び12Eと、を備えている。ゲート構造26EはpドープIII-V族化合物半導体層262E及びゲート電極264Eを含む。ゲート構造28EはpドープIII-V族化合物半導体層282E及びゲート電極284Eを含む。 The bidirectional switching device 1E includes gate structures 26E and 28E and field plates 122E, 123E, 124E, and 12E. The gate structure 26E includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262E and a gate electrode 264E. The gate structure 28E includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282E and a gate electrode 284E.
フィールドプレート122E及びゲート構造26Eは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122E及びゲート構造26Eは横方向に重複する、距離D15がゲート構造26Eの全長に等しい。フィールドプレート124E及びゲート構造26Eは横方向に重複していない。フィールドプレート124E及びフィールドプレート122Eは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124E及びフィールドプレート122Eは横方向に重複する、距離D16がフィールドプレート122Eの全長より短い。 The field plate 122E and the gate structure 26E overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 122E and the gate structure 26E overlap laterally, with the distance D15 being equal to the total length of the gate structure 26E. The field plate 124E and the gate structure 26E do not overlap laterally. The field plate 124E and the field plate 122E overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124E and the field plate 122E overlap laterally, with the distance D16 being less than the total length of the field plate 122E.
フィールドプレート123E及びゲート構造28Eは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123E及びゲート構造28Eは横方向に重複する、距離D17がゲート構造28Eの全長に等しい。フィールドプレート125E及びゲート構造28Eは横方向に重複していない。フィールドプレート125E及びフィールドプレート123Eは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125E及びフィールドプレート123Eは横方向に重複する、距離D18がフィールドプレート123Eの全長より短い。 Field plate 123E and gate structure 28E overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, field plate 123E and gate structure 28E overlap laterally, with distance D17 being equal to the overall length of gate structure 28E. Field plate 125E and gate structure 28E do not overlap laterally. Field plate 125E and field plate 123E overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, field plate 125E and field plate 123E overlap laterally, with distance D18 being less than the overall length of field plate 123E.
図9は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Fを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Fは図5に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Bに類似し、当該相違点については、フィールドプレート122B、123B、124B及び125Bがフィールドプレート122F、123F、124F及び125Fにより代替されている点である。 Figure 9 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1F according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1F is similar to bidirectional switching device 1B depicted and illustrated in Figure 5, with the difference being that field plates 122B, 123B, 124B and 125B are replaced by field plates 122F, 123F, 124F and 125F.
双方向スイッチング装置1Fはゲート構造26F及び28Fと、フィールドプレート122F、123F、124F、及び125Fと、を備えている。ゲート構造26FはpドープIII-V族化合物半導体層262F及びゲート電極264Fを含む。ゲート構造28FはpドープIII-V族化合物半導体層282F及びゲート電極284Fを含む。 The bidirectional switching device 1F includes gate structures 26F and 28F and field plates 122F, 123F, 124F, and 125F. The gate structure 26F includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262F and a gate electrode 264F. The gate structure 28F includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282F and a gate electrode 284F.
フィールドプレート122F及びゲート構造26Fは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122F及びゲート構造26Fは横方向に重複する、距離D19がゲート構造26Fの全長より短い。フィールドプレート124F及びゲート構造26Fは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124F及びゲート構造26Fは横方向に重複する、距離D20がゲート構造26Fの全長に等しい。フィールドプレート124F及びフィールドプレート122Fは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124F及びフィールドプレート122Fは横方向に重複する、距離D21がフィールドプレート122Fの全長に等しい。 The field plate 122F and the gate structure 26F overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 122F and the gate structure 26F overlap in the lateral direction, and the distance D19 is shorter than the overall length of the gate structure 26F. The field plate 124F and the gate structure 26F overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124F and the gate structure 26F overlap in the lateral direction, and the distance D20 is equal to the overall length of the gate structure 26F. The field plate 124F and the field plate 122F overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124F and the field plate 122F overlap in the lateral direction, and the distance D21 is equal to the overall length of the field plate 122F.
フィールドプレート123F及びゲート構造28Fは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123F及びゲート構造28Fが横方向に重複している距離D22はゲート構造28Fの全長より短い。フィールドプレート125F及びゲート構造28Fは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125F及びゲート構造28Fは横方向に重複する、距離D23がゲート構造28Fの全長に等しい。フィールドプレート125F及びフィールドプレート123Fは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125F及びフィールドプレート123Fは横方向に重複する、距離D24がフィールドプレート123Fの全長に等しい。 The field plate 123F and the gate structure 28F overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the distance D22 by which the field plate 123F and the gate structure 28F overlap laterally is shorter than the total length of the gate structure 28F. The field plate 125F and the gate structure 28F overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125F and the gate structure 28F overlap laterally, and the distance D23 is equal to the total length of the gate structure 28F. The field plate 125F and the field plate 123F overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125F and the field plate 123F overlap laterally, and the distance D24 is equal to the total length of the field plate 123F.
図10は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Gを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Gは図9に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Fに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124F及び125Fがフィールドプレート124G及び125Gにより代替されている点である。 Figure 10 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1G according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1G is similar to bidirectional switching device 1F depicted and illustrated in Figure 9, with the difference being that field plates 124F and 125F are replaced by field plates 124G and 125G.
双方向スイッチング装置1Gはゲート構造26G及び28Gと、フィールドプレート122G、123G、124G、及び125Gと、を備えている。ゲート構造26GはpドープIII-V族化合物半導体層262G及びゲート電極264Gを含む。ゲート構造28GはpドープIII-V族化合物半導体層282G及びゲート電極284Gを含む。 The bidirectional switching device 1G includes gate structures 26G and 28G and field plates 122G, 123G, 124G, and 125G. The gate structure 26G includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262G and a gate electrode 264G. The gate structure 28G includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282G and a gate electrode 284G.
フィールドプレート122G及びゲート構造26Gは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122G及びゲート構造26Gは横方向に重複する、距離D25がゲート構造26Gの全長より短い。フィールドプレート124G及びゲート構造26Gは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124G及びゲート構造26Gは横方向に重複する、距離D25がゲート構造26Gの全長より短い。フィールドプレート124G及びフィールドプレート122Gは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124G及びフィールドプレート122Gは横方向に重複する、距離D26はフィールドプレート122Gの全長に等しい。 The field plate 122G and the gate structure 26G overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 122G and the gate structure 26G overlap in the lateral direction, and the distance D25 is shorter than the total length of the gate structure 26G. The field plate 124G and the gate structure 26G overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124G and the gate structure 26G overlap in the lateral direction, and the distance D25 is shorter than the total length of the gate structure 26G. The field plate 124G and the field plate 122G overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124G and the field plate 122G overlap in the lateral direction, and the distance D26 is equal to the total length of the field plate 122G.
フィールドプレート123G及びゲート構造28Gは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123G及びゲート構造28Gは横方向に重複する、距離D27がゲート構造28Gの全長より短い。フィールドプレート125G及びゲート構造28Gは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125G及びゲート構造28Gは横方向に重複する、距離D27がゲート構造28Gの全長より短い。フィールドプレート125G板は横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125G及びフィールドプレート123Gは横方向に重複する、距離D28がフィールドプレート123Gの全長に等しい。 The field plate 123G and the gate structure 28G overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 123G and the gate structure 28G overlap in the lateral direction, and the distance D27 is shorter than the total length of the gate structure 28G. The field plate 125G and the gate structure 28G overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125G and the gate structure 28G overlap in the lateral direction, and the distance D27 is shorter than the total length of the gate structure 28G. The field plate 125G plates overlap in the lateral direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125G and the field plate 123G overlap in the lateral direction, and the distance D28 is equal to the total length of the field plate 123G.
図11は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Hを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Hは図9に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Fに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124F及び125Fがフィールドプレート124H及び125Hにより代替されている点である。 Figure 11 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1H according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1H is similar to bidirectional switching device 1F depicted and shown in Figure 9, with the difference being that field plates 124F and 125F are replaced by field plates 124H and 125H.
双方向スイッチング装置1Hはゲート構造26H及び28Hと、フィールドプレート122H、123H、124H、及び125Hと、を備えている。ゲート構造26HはpドープIII-V族化合物半導体層262H及びゲート電極264Hを含む。ゲート構造28HはpドープIII-V族化合物半導体層282H及びゲート電極284Hを含む。 The bidirectional switching device 1H includes gate structures 26H and 28H and field plates 122H, 123H, 124H, and 125H. The gate structure 26H includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262H and a gate electrode 264H. The gate structure 28H includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282H and a gate electrode 284H.
フィールドプレート122H及びゲート構造26Hは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122H及びゲート構造26Hが横方向に重複している距離D29はゲート構造26Hの全長より短い。フィールドプレート124H及びゲート構造26Hは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124H及びゲート構造26Hは横方向に重複する、距離D30がゲート構造26Hの全長より短い。フィールドプレート124H及びフィールドプレート122Hは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124H及びフィールドプレート122Hは横方向に重複する、距離D31がフィールドプレート122Hの全長より短い。 The field plate 122H and the gate structure 26H overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the distance D29 by which the field plate 122H and the gate structure 26H overlap in the horizontal direction is shorter than the total length of the gate structure 26H. The field plate 124H and the gate structure 26H overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124H and the gate structure 26H overlap in the horizontal direction, and the distance D30 is shorter than the total length of the gate structure 26H. The field plate 124H and the field plate 122H overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 124H and the field plate 122H overlap in the horizontal direction, and the distance D31 is shorter than the total length of the field plate 122H.
フィールドプレート123H及びゲート構造28Hは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123H及びゲート構造28Hは横方向に積層され、距離D32がゲート構造28Hの全長より短い。フィールドプレート125H及びゲート構造28Hは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125H及びゲート構造28Hは横方向に重複する、距離D33がゲート構造28Hの全長より短い。フィールドプレート125H及びフィールドプレート123Hは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125H及びフィールドプレート123Hは横方向に重複する、距離D34がフィールドプレート123Hの全長より短い。 The field plate 123H and the gate structure 28H overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 123H and the gate structure 28H are stacked in the horizontal direction, and the distance D32 is shorter than the total length of the gate structure 28H. The field plate 125H and the gate structure 28H overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125H and the gate structure 28H overlap in the horizontal direction, and the distance D33 is shorter than the total length of the gate structure 28H. The field plate 125H and the field plate 123H overlap in the horizontal direction. In the illustrated example of this embodiment, the field plate 125H and the field plate 123H overlap in the horizontal direction, and the distance D34 is shorter than the total length of the field plate 123H.
図12は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Iを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Iは図9に描写及び図示する双方向スイッチング装置1Fに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124F及び125Fがフィールドプレート124I及び125Iにより代替されている点である。 Figure 12 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1I according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1I is similar to bidirectional switching device 1F depicted and shown in Figure 9, with the difference being that field plates 124F and 125F are replaced by field plates 124I and 125I.
双方向スイッチング装置1Iはゲート構造26I及び28Iと、フィールドプレート122I、123I、124I、及び125Iと、を備えている。ゲート構造26IはpドープIII-V族化合物半導体層262I及びゲート電極264Iを含む。ゲート構造28IはpドープIII-V族化合物半導体層282I及びゲート電極284Iを含む。 The bidirectional switching device 1I includes gate structures 26I and 28I and field plates 122I, 123I, 124I, and 125I. The gate structure 26I includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262I and a gate electrode 264I. The gate structure 28I includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 282I and a gate electrode 284I.
フィールドプレート122I及びゲート構造26Iは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート122I及びゲート構造26Iが横方向に重複している距離D35はゲート構造26Iの全長より短い。フィールドプレート124I及びゲート構造26Iは横方向に重複していない。フィールドプレート124I及びフィールドプレート122Iは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート124I及びフィールドプレート122Iが横方向に重複している距離D36はフィールドプレート122Iの全長より短い。 The field plate 122I and the gate structure 26I overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the distance D35 by which the field plate 122I and the gate structure 26I overlap laterally is shorter than the total length of the gate structure 26I. The field plate 124I and the gate structure 26I do not overlap laterally. The field plate 124I and the field plate 122I overlap laterally. In the illustrated example of this embodiment, the distance D36 by which the field plate 124I and the field plate 122I overlap laterally is shorter than the total length of the field plate 122I.
フィールドプレート123I及びゲート構造28Iは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート123I及びゲート構造28Iは横方向に重複する、距離D37がゲート構造28Iの全長に等しい。フィールドプレート125I及びゲート構造28Iは横方向に重複していない。フィールドプレート125I及びフィールドプレート123Iは横方向に重複している。本実施例の例示図において、フィールドプレート125I及びフィールドプレート123Iが横方向に重複している距離D38はフィールドプレート123Iの全長より短い。 Field plate 123I and gate structure 28I overlap laterally. In the illustrated embodiment, field plate 123I and gate structure 28I overlap laterally, with a distance D37 equal to the overall length of gate structure 28I. Field plate 125I and gate structure 28I do not overlap laterally. Field plate 125I and field plate 123I overlap laterally. In the illustrated embodiment, field plate 125I and field plate 123I overlap laterally, with a distance D38 shorter than the overall length of field plate 123I.
図13は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Jを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Jは図3A~図3Cに描写及び図示する双方向スイッチング装置1Aに類似し、当該相違点については、フィールドプレート124B及び125Bがフィールドプレート124J及び125Jにより代替されている点である。本実施例において、フィールドプレート124J及び125J並びにソース電極30J及び32Jは同じ導電材料で製造されている。製造工程において、フィールドプレート124J及び125J並びにソース電極30J及び32Jは同じブランケット導電層で形成されてもよい。 FIG 13 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1J according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1J is similar to bidirectional switching device 1A depicted and illustrated in FIG 3A-3C, except that field plates 124B and 125B are replaced by field plates 124J and 125J. In this embodiment, field plates 124J and 125J and source electrodes 30J and 32J are fabricated from the same conductive material. During fabrication, field plates 124J and 125J and source electrodes 30J and 32J may be formed from the same blanket conductive layer.
図14は本発明の幾つかの実施例に係る双方向スイッチング装置1Kを示す横断面図である。双方向スイッチング装置1Kは図3A~図3Cに描写及び図示する双方向スイッチング装置1Aに類似している。但し、フィールドプレート122及び123がフィールドプレート122K及び123Kにより代替されている。本実施例において、フィールドプレート122K及び123K並びにソース電極30K及び32Kは同じ導電材料で製造されている。製造工程において、フィールドプレート122K及び123K並びにソース電極30K及び32Kは同じブランケット導電層で形成されて形成されてもよい。 Figure 14 is a cross-sectional view of a bidirectional switching device 1K according to some embodiments of the present invention. Bidirectional switching device 1K is similar to bidirectional switching device 1A depicted and illustrated in Figures 3A-3C, except that field plates 122 and 123 are replaced by field plates 122K and 123K. In this embodiment, field plates 122K and 123K and source electrodes 30K and 32K are fabricated from the same conductive material. During the manufacturing process, field plates 122K and 123K and source electrodes 30K and 32K may be formed from the same blanket conductive layer.
上述したように、デュアルゲートトランジスタのフィールドプレートの設計に基づいて、このような設計を応用した各種構造を実現している。前記設計は異なる要求に適合する。即ち、本発明のデュアルゲートトランジスタのフィールドプレートの設計はフレキシブルであり、よって、HEMT装置分野において高い互換性を有している。 As described above, based on the design of the field plate of the dual gate transistor, various structures are realized by applying such a design. The design meets different requirements. That is, the design of the field plate of the dual gate transistor of the present invention is flexible and therefore has high compatibility in the field of HEMT devices.
双方向スイッチング装置の製造方法を示す異なる工程図は図15A~図15Lに示す。下述する。下記説明において、積層技術として、例えば、原子層堆積法(atomic layer deposition、 ALD)、物理気相成長法(physical vapor deposition、 PVD)、化学気相成長法(chemical vapor deposition、 CVD)、有機金属CVD(metal organic CVD、 MOCVD)、プラズマエンハンスCVD(plasma enhanced CVD、 PECVD)、減圧CVD(low-pressure CVD、 LPCVD)、プラズマアシスト気相成長(plasma-assisted vapor deposition)、エピタキシャル成長(epitaxial growth)、或いは他の適合する技術が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Different process diagrams illustrating the method for manufacturing a bidirectional switching device are shown in Figures 15A-15L, as described below. In the following description, deposition techniques may include, but are not limited to, atomic layer deposition (ALD), physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), metal organic CVD (MOCVD), plasma enhanced CVD (PECVD), low-pressure CVD (LPCVD), plasma-assisted vapor deposition, epitaxial growth, or other suitable techniques.
図15Aを参照すると、基板20を提供する。上述の積層技術を使用し、基板20上に窒化物系半導体層22及び24を順に形成可能である。上述の積層技術を使用し、窒化物系半導体層24上方にブランケットpドープIII-V族化合物半導体層262及びブランケット導電層28を順に形成可能である。 Referring to FIG. 15A, a substrate 20 is provided. Using the deposition techniques described above, nitride-based semiconductor layers 22 and 24 can be formed, in order, on the substrate 20. Using the deposition techniques described above, a blanket p-doped III-V compound semiconductor layer 262 and a blanket conductive layer 28 can be formed, in order, above the nitride-based semiconductor layer 24.
図3Bを参照すると、ブランケットpドープIII-V族化合物半導体層262及びブランケット導電層28に対しパターン化を行い、窒化物系半導体層24上に複数のゲート構造26及び28を形成している。各ゲート構造26及び28はpドープIII-V族化合物半導体層262/282及びゲート電極264/284を備えている。パターン化技術はフォトリソグラフィ(photolithography)、露光及び現像(exposure and development)、エッチング(etching)、他の適合する技術、或いはそれらの組み合わせにより実行する。上述の積層技術を使用し、不動態層116を形成してゲート構造26の表面を被覆することができる。ゲート構造26及び28を被覆することで、不動態層116がゲート電極264及び282を有している窒化物系半導体層24上方に複数の突出部分を形成可能である。 Referring to FIG. 3B, the blanket p-doped III-V compound semiconductor layer 262 and the blanket conductive layer 28 are patterned to form a plurality of gate structures 26 and 28 on the nitride-based semiconductor layer 24. Each gate structure 26 and 28 includes a p-doped III-V compound semiconductor layer 262/282 and a gate electrode 264/284. The patterning technique can be performed by photolithography, exposure and development, etching, other suitable techniques, or a combination thereof. Using the above-mentioned deposition technique, the passivation layer 116 can be formed to cover the surface of the gate structure 26. By covering the gate structures 26 and 28, the passivation layer 116 can form a plurality of protruding portions above the nitride-based semiconductor layer 24 having the gate electrodes 264 and 282.
図15Cを参照すると、上述の積層技術を使用し、不動態層116上方にブランケット導電層121及びマスク層150を順に形成可能である。マスク層150はパターン形成過程でブランケット導電層121のウェットエッチングマスクとしている。幾つかの実施例において、ブランケット導電層121は窒化チタン(TiN)で製造され、マスク層150は酸化ケイ素(SiOx)(例えば二酸化ケイ素SiO2)で製造されている。 15C, using the deposition techniques described above, blanket conductive layer 121 and mask layer 150 can be sequentially formed over passivation layer 116. Mask layer 150 serves as a wet etch mask for blanket conductive layer 121 during patterning. In some embodiments, blanket conductive layer 121 is made of titanium nitride (TiN) and mask layer 150 is made of silicon oxide ( SiOx ) (e.g., silicon dioxide SiO2 ).
図15Dを参照すると、マスク層150がパターン化されて開口部を有しているマスク層152が形成されている。ブランケット導電層121の幾つかの部分がマスク層152の開口部から露出されている。マスク層152の輪郭はパターン化技術を実行することでブランケット導電層121に転移可能である。 Referring to FIG. 15D, mask layer 150 is patterned to form mask layer 152 having openings. Portions of blanket conductive layer 121 are exposed through the openings in mask layer 152. The contours of mask layer 152 can be transferred to blanket conductive layer 121 by performing a patterning technique.
図15Eを参照すると、ブランケット導電層121がパターン化されてゲート電極264上方にフィールドプレート122が形成されている。フィールドプレート122はマスク層150の輪郭と相似する輪郭を有し、フィールドプレート122が対応するゲート電極264を横方向に跨いでいる。パターン化技術はウェットエッチングプロセスにより実行している。ウェットエッチングプロセスにおいて、マスク層152は底部ブランケット導電層121の部分を保護している。これにより、マスク層152の開口部から露出されている部分的なブランケット導電層121を除去している。上述したように、ウェットエッチングプロセスが高い選択性を提供するため、不動態層116箇所にオーバーエッチングが発生せず、不動態層116の厚さが同じまたは略同じに保持されている。幾つかの実施例において、ブランケット導電層121は窒化チタン(TiN)で製造され、不動態層116は窒化ケイ素(Si3N4)で製造され、これらがウェットエッチングプロセス中に同一のエッチング剤に対し高い選択性を有している。 15E, the blanket conductive layer 121 is patterned to form a field plate 122 above the gate electrode 264. The field plate 122 has a contour similar to that of the mask layer 150, and the field plate 122 laterally straddles the corresponding gate electrode 264. The patterning technique is performed by a wet etching process. In the wet etching process, the mask layer 152 protects the portion of the bottom blanket conductive layer 121. This removes the portion of the blanket conductive layer 121 exposed through the opening in the mask layer 152. As described above, the wet etching process provides high selectivity, so that the passivation layer 116 is not over-etched and the thickness of the passivation layer 116 remains the same or approximately the same. In some embodiments, the blanket conductive layer 121 is made of titanium nitride ( TiN ) and the passivation layer 116 is made of silicon nitride ( Si3N4 ), which have high selectivity to the same etchant during the wet etching process.
図15Fを参照すると、マスク層152を除去する。その後、上述の積層技術を使用し、不動態層116及びフィールドプレート122上に不動態層118及びブランケット導電層123を順に形成している。不動態層118はブランケット不動態層116及びフィールドプレート122として形成してもよい。ブランケット導電層123は不動態層118を被覆するように形成できる。 Referring to FIG. 15F, mask layer 152 is removed. Then, using the lamination techniques described above, passivation layer 118 and blanket conductive layer 123 are formed, in order, on passivation layer 116 and field plate 122. Passivation layer 118 may be formed as a blanket passivation layer 116 and field plate 122. Blanket conductive layer 123 may be formed to cover passivation layer 118.
図15Gを参照すると、上述の積層技術を使用し、ブランケット導電層123上/上方/の上にマスク層154を形成している。マスク層154はパターン形成過程においてブランケット導電層123のドライエッチングマスクとしている。幾つかの実施例において、ブランケット導電層121は窒化チタン(TiN)で製造され、マスク層154は、例えば、ポリマー(polymer)、感光剤(sensitizer)、及び溶剤の混合物のような光感応材料で製造されている。 Referring to FIG. 15G, using the deposition techniques described above, a mask layer 154 is formed on/above/on the blanket conductive layer 123. The mask layer 154 serves as a dry etch mask for the blanket conductive layer 123 during the patterning process. In some embodiments, the blanket conductive layer 121 is made of titanium nitride (TiN) and the mask layer 154 is made of a photosensitive material, such as a mixture of a polymer, a sensitizer, and a solvent.
図15Hを参照すると、マスク層154がパターン化されて開口部を有しているマスク層156が形成されている。ブランケット導電層123の幾つかの部分はマスク層156の開口部から露出されている。マスク層156の輪郭はパターン化技術を実行することによりブランケット導電層123に転移可能である。図3Hの例示図において、ドライエッチングプロセスを使用してパターン化技術を実行している。例えば、ドライエッチングプロセスはRIE技術であり、その応用はプラズマ源からの高エネルギーイオン158によりブランケット導電層123の露出部分を攻撃すると共にその反応により前記部分を除去することにより、パターン化を実現している。パターン化後に、ブランケット導電層123によりフィールドプレート124が形成されている。 Referring to FIG. 15H, the mask layer 154 is patterned to form a mask layer 156 having openings. Some portions of the blanket conductive layer 123 are exposed through the openings of the mask layer 156. The contour of the mask layer 156 can be transferred to the blanket conductive layer 123 by performing a patterning technique. In the exemplary diagram of FIG. 3H, the patterning technique is performed using a dry etching process. For example, the dry etching process is an RIE technique, the application of which is to attack the exposed portions of the blanket conductive layer 123 with high energy ions 158 from a plasma source and remove the portions by reaction to achieve patterning. After patterning, the blanket conductive layer 123 forms a field plate 124.
図15Iを参照すると、パターン化後にマスク層156を除去している。フィールドプレート124はフィールドプレート122上方に形成されている。フィールドプレートはフィールドプレート122を横方向に跨いでいる。その後、上述の積層技術を使用し、不動態層118及びフィールドプレート124上に不動態層120が形成されている。不動態層120はブランケット不動態層118及びフィールドプレート124として形成してもよい。 Referring to FIG. 15I, after patterning, mask layer 156 is removed. Field plate 124 is formed above field plate 122. The field plate laterally spans field plate 122. Passivation layer 120 is then formed over passivation layer 118 and field plate 124 using the deposition techniques described above. Passivation layer 120 may be formed as a blanket passivation layer 118 and field plate 124.
図15Jを参照すると、不動態層116、118、120の幾つかの部分を除去することにより接触領域160が形成されている。窒化物系半導体層24の少なくとも一部分は接触領域160から露出されている。 Referring to FIG. 15J, contact region 160 is formed by removing portions of passivation layers 116, 118, 120. At least a portion of nitride-based semiconductor layer 24 is exposed from contact region 160.
図15Kを参照すると、図15Jで発生した構造上方にブランケット導電層125が形成されている。ブランケット導電層125は図153Jの合成構造と一致している。ブランケット導電層125は窒化物系半導体層24及び不動態層116、118、120を被覆するように形成されている。ブランケット導電層125を形成して接触領域160を充填することにより、窒化物系半導体層24と接触している。次の工程ではブランケット導電層125に対しパターン化を行っている。需要に応じて、ブランケット導電層125を異なる輪郭を有するようにパターン化してもよい。 Referring to FIG. 15K, a blanket conductive layer 125 is formed over the structure generated in FIG. 15J. The blanket conductive layer 125 corresponds to the composite structure of FIG. 153J. The blanket conductive layer 125 is formed to cover the nitride-based semiconductor layer 24 and the passivation layers 116, 118, and 120. The blanket conductive layer 125 is formed to fill the contact region 160, thereby contacting the nitride-based semiconductor layer 24. The next step is to pattern the blanket conductive layer 125. The blanket conductive layer 125 may be patterned to have different contours as required.
図15Lを参照すると、図15Lはブランケット導電層125のパターン化結果の1つを示し、ソース電極30及び32はブランケット導電層125に対してパターン化を行うことで形成されている。ブランケット導電層125の幾つかの部分を除去し、且つ接触領域160内にあるブランケット導電層125の残りの部分をソース電極30及び32として保留している。幾つかの実施例において、ソース電極30及び32(即ち、余剰のブランケット導電層125)の全体は不動態層120より低い。幾つかの実施例において、ブランケット導電層125を更に厚く形成し、ソース電極30及び32(即ち、余剰のブランケット導電層125)を不動態層120よりも高い位置にしてもよい。 Referring to FIG. 15L, FIG. 15L illustrates one patterning result of blanket conductive layer 125, where source electrodes 30 and 32 are formed by patterning blanket conductive layer 125. Portions of blanket conductive layer 125 are removed, and remaining portions of blanket conductive layer 125 within contact region 160 are reserved as source electrodes 30 and 32. In some embodiments, the entirety of source electrodes 30 and 32 (i.e., excess blanket conductive layer 125) is lower than passivation layer 120. In some embodiments, blanket conductive layer 125 may be made thicker, so that source electrodes 30 and 32 (i.e., excess blanket conductive layer 125) are higher than passivation layer 120.
図15Lの工程後に、後続の工程を実行して獲得した構造上に不動態層、ビア及びパターン化導電層を形成し、上述したような構造を獲得している。 After the step of FIG. 15L, subsequent steps are performed to form a passivation layer, vias and a patterned conductive layer on the resulting structure to obtain the structure described above.
本発明の以上の説明は説明及び描写した目的を達成するために提供している。本発明は全面的に、または本発明を発明した精確な形式に制限することを意図していない。発明した精確な形式に徹底するか限定することを意図している。当業者にとっては、多くの改修及び変化の余地があることは明らかである。 The above description of the invention is provided to achieve the objectives of explanation and illustration. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form invented. It is intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form invented. It is obvious to one skilled in the art that many modifications and variations are possible.
本明細書で使用される別途定義のない「実質上」、「実質的」、「近似する」及び「約」等の用語は、小さな変化を説明及び解釈するために用いている。事象や状况と共に使用する場合、用語は事象や状况の精確に発生した例、及び事象や状况が発生しそうな例を含む。例えば、数値と共に使用する場合、用語は前記数値の±10%以下の変化範囲を含み、例えば、±5%以下、±4%以下、±3%以下、±2%以下、±1%以下、±0.5%以下、0.1%以下、或いは±0.05%以下の変化範囲を含む。「実質的な共面」という用語については、数マイクロメートル(μm)以内で同一の平面に沿って位置決めされている2つの表面を指し、例えば、40マイクロメートル(μm)以内、30μm以内、20μm以内、10μm以内、或いは1μm以内で同一の平面に沿って位置決めされている。 As used herein and not otherwise defined, terms such as "substantially," "substantially," "approximate," and "about" are used to describe and interpret small variations. When used in conjunction with an event or circumstance, the term includes instances in which the event or circumstance occurred exactly, and instances in which the event or circumstance is likely to occur. For example, when used in conjunction with a numerical value, the term includes a variation of ±10% or less of the numerical value, such as ±5% or less, ±4% or less, ±3% or less, ±2% or less, ±1% or less, ±0.5% or less, 0.1% or less, or ±0.05% or less. The term "substantially coplanar" refers to two surfaces that are aligned along the same plane within a few micrometers (μm), for example, within 40 micrometers (μm), within 30 μm, within 20 μm, within 10 μm, or within 1 μm.
本明細書で使用される前後の文中に別途明確な規定のない「単一」、「1つ」及び「前記単一」という単数の用語は、複数の指示物を含んでもよい。幾つかの実施形態の説明において提供する他の部材「上方」または「上面」にある部材とは、前の部材が後の部材上に直接位置する(例えば、後の部材と物理的に接触する)状况、及び1つまたは複数の中間部材が前の部材と後の部材との間に位置する状况を含む。 As used herein, the singular terms "single," "one," and "the single," unless otherwise clearly defined in the context, may include plural referents. A member "above" or "on" another member as provided in the description of some embodiments includes a situation in which a preceding member is directly located on (e.g., in physical contact with) a following member, and a situation in which one or more intermediate members are located between the preceding and following members.
本発明の内容の具体的な実施形態を参照して本開示の内容を描写及び説明しているが、但し、これらの描写及び説明は制限されない。当業者ならば、添付する請求項に定義する本発明の内容の実際の精神及び範囲を逸脱せずに、各種改修を行って等価物により代替することができる。添付図面は必ずしも比率に基づいて描画しているわけではない。製造技術及び公差の要因により、本発明の内容に示す技術と実際の装置との間には違いが存在する可能性がある。本発明の内容の他の実施形態については具体的に説明していない。明細書及び添付図面は説明のためのものであり、制限するためのものではない。改修により特定の状況、材料、物質の組成、方法、或いは過程を本発明の内容の目的、精神及び範囲に適合させることができる。全てのこれらの改修は本明細書に添付する請求項の範囲内に含まれる。本明細書に記載の方法は特定の順序を参照して特定の操作を実行することを説明しているが、但し、本発明の教示を逸脱せずにこれら操作を組み合せ、細分化し、或いは再配列することにより同等の効果を発生させる方法を形成することができることを理解すべきである。よって、特別に指摘がない限り、これらの操作の順序及びグループ化には制限がない。 The subject matter of the present disclosure has been depicted and described with reference to specific embodiments of the subject matter, but these depictions and descriptions are not intended to be limiting. Those skilled in the art may make various modifications and substitute equivalents without departing from the actual spirit and scope of the subject matter of the present invention as defined in the appended claims. The accompanying drawings are not necessarily drawn to scale. Due to manufacturing techniques and tolerances, there may be variations between the techniques shown in the subject matter of the present invention and the actual devices. Other embodiments of the subject matter of the present invention have not been specifically described. The specification and accompanying drawings are illustrative, not limiting. Modifications may be made to adapt a particular situation, material, composition of matter, method, or process to the objective, spirit, and scope of the subject matter of the present invention. All such modifications are within the scope of the claims appended hereto. Although the methods described herein are described as carrying out certain operations with reference to a particular sequence, it should be understood that the operations may be combined, sub-divided, or rearranged to form methods that produce equivalent effects without departing from the teachings of the present invention. Thus, unless specifically indicated, no limitations are placed on the order or grouping of these operations.
Claims (22)
基板上に設置されている窒化物系活性層と、
前記窒化物系活性層上に設置され、且つ前記窒化物系活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有している窒化物系バリア層と、
前記窒化物系バリア層の上に設置され、且つ少なくとも第一スペーサー層及び第二スペーサー層を含み、前記第一スペーサー層及び前記第二スペーサー層は前記窒化物系バリア層の上に位置している複数のスペーサー層と、
デュアルゲートトランジスタと、を備え、
前記バッテリー保護制御器は、電源入力端子と、過電流放電保護(discharge over-current protection、 DO)端子と、過電流充電保護(charge over-current protection、 CO)端子と、電圧監視端子(voltage monitoring、 VM)と、接地端子と、を有し、
前記デュアルゲートトランジスタは、
前記複数のスペーサー層上に設置されている第一及び第二ソース電極であって、前記第一ソース電極は前記バッテリー保護制御器の前記接地端子に電気的に接続されるように配置され、且つ前記第二ソース電極は電圧監視抵抗器を介して前記バッテリー保護制御器の前記VM端子に接続されるように配置されている第一及び第二ソース電極と、
前記窒化物系バリア層上に設置されていると共に前記第一及び前記第二ソース電極の間に横方向に位置している第一及び第二ゲート構造であって、前記第一ゲート構造は第一ゲート電極を含み、前記第二ゲート構造は第二ゲート電極を含み、前記第一ゲート電極は前記バッテリー保護制御器の前記DO端子に電気的に接続されるように配置され、前記第二ゲート電極は前記バッテリー保護制御器の前記CO端子に電気的に接続されるように配置されている第一及び第二ゲート構造と、を含み、
前記窒化物系双方向スイッチング装置は、前記第一スペーサー層上に設置される第一下部フィールドプレートと、前記第一スペーサー層上に設置される第二下部フィールドプレートと、を更に備え、前記第一及び前記第二下部フィールドプレートは相互に横方向に間隔を空けて配置され、
前記窒化物系双方向スイッチング装置は、前記第二スペーサー層上に設置される第一上部フィールドプレートと、前記第二スペーサー層上に設置される第二上部フィールドプレートと、を更に備え、前記第一及び第二上部フィールドプレートは相互に横方向に間隔を空けて配置され、
前記第一上部フィールドプレートから前記第二上部フィールドプレートまでの距離が前記第一下部フィールドプレートから前記第二下部フィールドプレートまでの距離より短く、
前記第一下部フィールドプレート及び前記第一ゲート構造が横方向に重複している距離は前記第一ゲート構造の全長より短く、前記第二下部フィールドプレート及び前記第二ゲート構造が横方向に重複している距離は前記第二ゲート構造の全長より短いことを特徴とする窒化物系双方向スイッチング装置。 1. A nitride based bidirectional switching device operating in conjunction with a battery protection controller, comprising:
a nitride-based active layer disposed on a substrate;
a nitride-based barrier layer disposed on the nitride-based active layer and having a band gap larger than the band gap of the nitride-based active layer;
a plurality of spacer layers disposed on the nitride-based barrier layer, the spacer layers including at least a first spacer layer and a second spacer layer, the first spacer layer and the second spacer layer being positioned on the nitride-based barrier layer ;
a dual gate transistor ,
The battery protection controller has a power input terminal, a discharge over-current protection (DO) terminal, a charge over-current protection (CO) terminal, a voltage monitoring (VM) terminal, and a ground terminal;
The dual gate transistor is
first and second source electrodes disposed on the plurality of spacer layers, the first source electrode being arranged to be electrically connected to the ground terminal of the battery protection controller, and the second source electrode being arranged to be connected to the VM terminal of the battery protection controller via a voltage monitoring resistor;
first and second gate structures disposed on the nitride-based barrier layer and positioned laterally between the first and second source electrodes, the first gate structure including a first gate electrode and the second gate structure including a second gate electrode, the first gate electrode being arranged to be electrically connected to the DO terminal of the battery protection controller, and the second gate electrode being arranged to be electrically connected to the CO terminal of the battery protection controller ;
the nitride based bidirectional switching device further comprising a first lower field plate disposed on the first spacer layer; and a second lower field plate disposed on the first spacer layer, the first and second lower field plates being laterally spaced from one another;
the nitride based bidirectional switching device further comprising a first upper field plate disposed on the second spacer layer and a second upper field plate disposed on the second spacer layer, the first and second upper field plates being laterally spaced from one another;
a distance from the first upper field plate to the second upper field plate is shorter than a distance from the first lower field plate to the second lower field plate;
a lateral overlap distance between the first lower field plate and the first gate structure is less than an overall length of the first gate structure, and a lateral overlap distance between the second lower field plate and the second gate structure is less than an overall length of the second gate structure .
前記第二下部フィールドプレートは、前記第二ゲート構造と分離していると共に前記第二ゲート構造の少なくとも一部分及び領域を横方向に跨ぎ、前記領域は前記第二ゲート構造に直接隣接していると共に前記第一ゲート構造及び前記第二ゲート構造の間に位置することを特徴とする請求項1に記載の窒化物系双方向スイッチング装置。 the first lower field plate is separate from the first gate structure and laterally spans at least a portion of the first gate structure and a region that is directly adjacent to the first gate structure and is between the first gate structure and the second gate structure;
2. The nitride based bidirectional switching device of claim 1 , wherein the second lower field plate is separate from and laterally spans at least a portion of the second gate structure, and a region immediately adjacent to and between the second gate structure and the first gate structure.
前記第二上部フィールドプレートは、前記第二下部フィールドプレートと分離していると共に前記第二下部フィールドプレートの少なくとも一部分及び領域を横方向に跨ぎ、前記領域は前記第二下部フィールドプレートに直接隣接していると共に前記第一及び第二下部フィールドプレートの間に位置することを特徴とする請求項2に記載の窒化物系双方向スイッチング装置。 the first upper field plate is separate from the first lower field plate and laterally spans at least a portion and region of the first lower field plate, the region being directly adjacent to the first lower field plate and between the first and second lower field plates;
3. The nitride based bidirectional switching device of claim 2 , wherein said second upper field plate is separate from and laterally spans at least a portion and area of said second lower field plate, said area being immediately adjacent to said second lower field plate and located between said first and second lower field plates.
前記窒化物系活性層上に窒化物系バリア層を形成し、前記窒化物系バリア層が有しているバンドギャップは前記窒化物系活性層のバンドギャップより大きいことと、
前記窒化物系バリア層上方に第一及び第二ゲート電極を形成することと、
前記窒化物系バリア層上に第一不動態層を形成して前記第一及び第二ゲート電極を被覆することと、
前記第一不動態層上に下部ブランケットフィールドプレートを形成することと、
ウェットエッチングプロセスにより前記下部ブランケットフィールドプレートをパターン化し、前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極上方に第一及び第二下部フィールドプレートをそれぞれ形成することと、
前記第一不動態層上に第二不動態層を形成して前記第一及び第二下部フィールドプレートを被覆することと、
前記第二不動態層上に上部ブランケットフィールドプレートを形成することと、
ドライエッチングプロセスを使用して前記上部ブランケットフィールドプレートをパターン化し、前記第一及び第二下部フィールドプレート上方に第一及び第二上部フィールドプレートをそれぞれ形成することと、を含み、
前記第一上部フィールドプレートから前記第二上部フィールドプレートまでの距離が前記第一下部フィールドプレートから前記第二下部フィールドプレートまでの距離より短く、
前記第一下部フィールドプレート及び前記第一ゲート電極が横方向に重複している距離は前記第一ゲート電極の全長より短く、前記第二下部フィールドプレート及び前記第二ゲート電極が横方向に重複している距離は前記第二ゲート電極の全長より短いことを特徴とする窒化物系双方向スイッチング装置の製造方法。 forming a nitride-based active layer on a substrate;
forming a nitride-based barrier layer on the nitride-based active layer, the nitride-based barrier layer having a band gap larger than the band gap of the nitride-based active layer;
forming first and second gate electrodes above the nitride-based barrier layer;
forming a first passivation layer on the nitride-based barrier layer to cover the first and second gate electrodes;
forming a lower blanket field plate over the first passivation layer;
patterning the lower blanket field plate by a wet etching process to form first and second lower field plates above the first gate electrode and the second gate electrode, respectively;
forming a second passivation layer on the first passivation layer to cover the first and second lower field plates;
forming an upper blanket field plate over the second passivation layer;
patterning the upper blanket field plate using a dry etch process to form first and second upper field plates above the first and second lower field plates, respectively ;
a distance from the first upper field plate to the second upper field plate is shorter than a distance from the first lower field plate to the second lower field plate;
a distance over which the first lower field plate and the first gate electrode overlap in a lateral direction is shorter than a total length of the first gate electrode, and a distance over which the second lower field plate and the second gate electrode overlap in a lateral direction is shorter than a total length of the second gate electrode .
前記第一下部フィールドプレートが前記第一ゲート電極の少なくとも一部分及び領域を横方向に跨ぎ、前記領域及び前記第一ゲート電極が直接隣接すると共に前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極の間に位置し、
前記第二下部フィールドプレートが前記第二ゲート電極の少なくとも一部分及び領域を跨ぎ、前記領域及び前記第二ゲート電極が直接隣接すると共に前記第一ゲート電極及び前記第二ゲート電極の間に位置し
前記第一及び第二下部フィールドプレートが相互に横方向に間隔を空けていることを特徴とする請求項13に記載の窒化物系双方向スイッチング装置の製造方法。 The lower blanket field plate is patterned to
the first lower field plate laterally straddles at least a portion of the first gate electrode and a region directly adjacent the region and the first gate electrode and is located between the first gate electrode and the second gate electrode ;
14. The method of claim 13, wherein said second lower field plate straddles at least a portion of said second gate electrode and a region thereof, said region and said second gate electrode being directly adjacent and located between said first gate electrode and said second gate electrode , said first and second lower field plates being laterally spaced from one another .
前記第一上部フィールドプレートが前記第一下部フィールドプレートの少なくとも一部分及び領域を跨ぎ、前記領域与前記第一下部フィールドプレートが直接隣接すると共に前記第一及び第二下部フィールドプレートの間に位置し、
前記第二上部フィールドプレートが前記第二下部フィールドプレートの少なくとも一部分及び領域を跨ぎ、前記領域及び前記第二下部フィールドプレートが直接隣接すると共に前記第一及び第二下部フィールドプレートとの間の領域に位置し、
前記第一及び第二上部フィールドプレートが相互に横方向に間隔を空けていることを特徴とする請求項13に記載の窒化物系双方向スイッチング装置の製造方法。 The upper blanket field plate is patterned to
the first upper field plate spans at least a portion of the first lower field plate and a region where the region and the first lower field plate are directly adjacent to and between the first and second lower field plates;
the second upper field plate spans at least a portion and a region of the second lower field plate, the region and the second lower field plate being directly adjacent and located in a region between the first and second lower field plates;
The method of claim 13 , wherein said first and second upper field plates are laterally spaced from one another.
窒化物系活性層と、
前記窒化物系活性層上に設置され、且つ前記窒化物系活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有している窒化物系バリア層と、
デュアルゲートトランジスタと、を備え、
前記バッテリー保護制御器は、電源入力端子と、過電流放電保護(discharge over-current protection、DO)端子と、過電流充電保護(charge over-current protection、CO)端子と、電圧監視端子(voltage monitoring、VM)と、接地端子と、を有し、
前記デュアルゲートトランジスタは、
前記バッテリー保護制御器の前記接地端子に電気的に接続されている第一ソース電極と、
電圧監視抵抗器を介して前記バッテリー保護制御器の前記VM端子に接続されるように配置されている第二ソース電極と、
前記バッテリー保護制御器の前記DO端子に電気的に接続されるように配置されている第一ゲート電極と、
前記バッテリー保護制御器の前記CO端子に電気的に接続されるように配置されている第二ゲート電極と、
前記第一ゲート電極上方に設置されている第一下部フィールドプレートと、
前記第二ゲート電極上方に設置されている第二下部フィールドプレートと、
前記第一下部フィールドプレート上方に設置されている第一上部フィールドプレートと、
前記第二下部フィールドプレート上方に設置されている第二上部フィールドプレートであって、前記第一上部フィールドプレートから前記第二上部フィールドプレートまでの距離が前記第一下部フィールドプレートから前記第二下部フィールドプレートまでの距離より短い第二上部フィールドプレートと、を含み、
前記第一下部フィールドプレート及び前記第一ゲート電極が横方向に重複している距離は前記第一ゲート電極の全長より短く、前記第二下部フィールドプレート及び前記第二ゲート電極が横方向に重複している距離は前記第二ゲート電極の全長より短いことを特徴とする窒化物系双方向スイッチング装置。 1. A nitride based bidirectional switching device operating in conjunction with a battery protection controller, comprising:
A nitride-based active layer;
a nitride-based barrier layer disposed on the nitride-based active layer and having a band gap larger than the band gap of the nitride-based active layer;
a dual gate transistor,
The battery protection controller has a power input terminal, a discharge over-current protection (DO) terminal, a charge over-current protection (CO) terminal, a voltage monitoring (VM) terminal, and a ground terminal;
The dual gate transistor is
a first source electrode electrically connected to the ground terminal of the battery protection controller;
a second source electrode arranged to be connected to the VM terminal of the battery protection controller through a voltage monitoring resistor;
a first gate electrode arranged to be electrically connected to the DO terminal of the battery protection controller;
a second gate electrode arranged to be electrically connected to the CO terminal of the battery protection controller;
a first lower field plate disposed above the first gate electrode;
a second lower field plate disposed above the second gate electrode;
a first upper field plate disposed above the first lower field plate;
a second upper field plate disposed above the second lower field plate, the second upper field plate being spaced apart from the first upper field plate by a distance that is shorter than the distance that is longer from the first lower field plate to the second lower field plate;
a lateral overlap distance between the first lower field plate and the first gate electrode is less than an overall length of the first gate electrode, and a lateral overlap distance between the second lower field plate and the second gate electrode is less than an overall length of the second gate electrode .
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